luận văn mobile ip & 4g

Mobile IP hỗ trợ khả năng di động cho các đầu cuối trong khi vẫn sử dụng các dịch vụ như ở mạng IP cố định, do đó tích hợp Mobile IP vào mạng di động để có thể giải quyết vấn đề quản lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ THỊ THANH HUYỀN

MOBILE IP & 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÔ THỊ THANH HUYỀN

MOBILE IP & 4G

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Mobile IP & 4G” là công trình nghiên cứu

của riêng tôi, không sao chép của bất kỳ ai Nội dung của luận án được trình bày

từ những kiến thức tổng hợp của cá nhân, tổng hợp từ các nguồn tài liệu có xuất

xứ rõ ràng và trích dẫn hợp pháp Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, và nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức

kỷ luật theo quy định

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2009

Học viên thực hiện

Ngô Thị Thanh Huyền

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành tốt khóa luận này, ngoài nỗ lực nghiên cứu tìm hiểu, còn có

sự đóng góp không nhỏ của thầy giáo, bạn bè và gia đình của tôi

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Thế Quế, người thầy đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình làm luận văn

Bên cạnh đó, tôi nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn bè, người thân và các đồng nghiệp đã có những nhận xét, đánh giá, trao đổi và cung cấp cho tôi nhiều tài liệu tham khảo bổ ích giúp tôi hoàn thành tốt luận văn

Xin chân thành cảm ơn Trung tâm Dịch vụ khách hàng - Công ty Dịch vụ viễn thông đã tạo mọi điều kiện cho tôi được hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, nơi luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Hà Nội, tháng 12/2009 Ngô Thị Thanh Huyền

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE IP 2

1.1 Khái niệm cơ bản 2

1.2 Giao thức Mobile Ipv4 4

1.2.1 Phát hiện agent 4

1.2.2 Đăng ký 6

1.2.3 Tạo đường hầm 10

1.3 Mobile Ipv6 10

1.3.1 Các tùy chọn trong Mobile Ipv6 10

1.3.2 Cấu trúc dữ liệu 11

1.4 Cơ chế định tuyến gói tin trong Mobile IP 11

1.4.1 Định tuyến gói tin bởi MN 11

1.4.2 Định tuyến gói tin bởi HA 12

1.4.3 Định tuyến gói tin bởi FA 13

1.5 Đánh giá về Mobile Ipv4, Mobile Ipv6 16

1.5.1 Mobile Ipv4 16

1.5.2 Mobile Ipv6 17

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ 4G 19

2.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động 19

2.2 Hệ thống thông tin di động 4G 25

2.3 Các đặc điểm công nghệ của 4G 33

2.3.1 Hỗ trợ lưu lượng IP 33

2.3.2 Hỗ trợ tính di động tốt 33

2.3.3 Hỗ trợ nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau 34

2.3.4 Không cần liên kết điều khiển 34

2.3.5 Hỗ trợ bảo mật đầu cuối – đầu cuối 35

2.4 Mô hình tham chiếu hệ thống di dộng 4G 35

2.4.1 Miền dịch vụ và ứng dụng 36

2.4.2 Miền nền tảng dịch vụ 36

2.4.3 Miền mạng lõi chuyển mạch gói 36

2.4.4 Miền truy cập vô tuyến 36

2.5 Mô hình tham chiếu hệ thống di động 4G nhìn từ nền tảng dịch vụ 38

2.5.1 Sự thuận tiện cho người sử dụng 41

2.5.2 Các dịch vụ tiên tiến 42

2.5.3 Quản lý hệ thống 43

CHƯƠNG 3: AN TOÀN VÀ BẢO MẬT TRONG MOBILE IP & 4G 45

3.1 Vai trò, vị trí của Mobile Ip trong 4G 45

3.2 Quản lý di động tại tầng mạng 46

3.2.1 Quản lý di động tại tầng mạng: Giải pháp cho Macromobility 47

3.2.2 Quản lý di động tại tầng mạng: Giải pháp cho Micromobility 49

3.3 An toàn và bảo mật trong Mobile IP 61

3.3.1 Sử dụng các mở rộng xác thực (authentication extensions) 62

3.3.2 Xác thực thông qua trường Identification 63

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc bản tin Agent Advertisement ……… 4

Hình 1.2 : Cấu trúc bản tin Agent Solicitation 6

Hình 1.3 Cấu trúc bản tin Registration Request ……… 8

Hình 1.4 : Cấu trúc bản tin Registration Reply ……… 9

Hình 1.5: Mobile Node đăng ký gián tiếp ………9

Hình 1.6: Mobile Node đăng ký trực tiếp ……… 10

Hình 1.7: Các cách để đặt một HA trên mạng chủ ………13

Hình 1.8: Định tuyến tam giác ……… 14

Hình 1.9: Định tuyến tối ưu ………15

Hình 2.1: Dịch vụ thông tin y tế ……….27

Hình 2.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến ……… 28

Hình 2.3 Hệ thống định vị ……….29

Hình 2.4 Hệ thống đặt hàng di động ……….30

Hình 2.5 Hệ thống quản lý thực phẩm ……… 31

Hình 2.6 Hệ thống bảo hiểm rủi ro ……… 32

Hình 2.7 Hệ thống quản lý di động ………33

Hình 2.8 Mô hình tham chiếu hệ thống thông tin di động ……….37

Hình 2.9: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ ………40

Hình 2.10: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ : tiện nghi người dùng 42

Hình 2.11: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ : Các dịch vụ tiên tiến …….43

Hình 2.12: Mô hình tham chiếu nền tảng dịch vụ Quản lý hệ thống …………44

Hình 3.1: Vị trí của Mobile IP 45

Hình 3.2: Mobile IP trong mạng GPRS ………46

Hình 3.3: Mobile IP trong mạng WCDMA ……… 46

Hình 3.4: Kiến trúc mô hình mạng Mobile IP phân cấp ……….50

Hình 3.5: MN đăng ký với HA 50

Hình3.6 MN đăng ký tại vùng hoạt động 51

Hình 3.7 Thủ tục chuyển giao trong FMIPv6 ……… 54

Hình 3.8: Kiến trúc mạng HMIPv6 ……….58

MỞ ĐẦU

Mục tiêu của các mạng di động thế hệ tiếp theo là khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia ở mọi lúc, mọi nơi Mạng di động 4G hứa hẹn là mạng di động đón đầu được những yêu cầu của người sử dụng

Mạng thông tin di động thế hệ sau với công nghệ IP là bước phát triển đột phá từ mạng di động thế hệ 3G lên 4G Điều này đặt ra cho các nhà nghiên cứu cần tìm ra và hoàn thiện hạ tầng IP trong môi trường truyền dẫn không dây để tích hợp cung cấp tất cả các loại hình dịch vụ băng hẹp và băng rộng, nhu cầu di chuyển kết nối liên tục tới người dùng Mobile IP hỗ trợ khả năng di động cho các đầu cuối trong khi vẫn sử dụng các dịch vụ như ở mạng IP cố định, do đó tích hợp Mobile IP vào mạng di động để có thể giải quyết vấn đề quản lý thuê bao di động mà vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ là vấn đề cần được nghiên cứu

Khi thuê bao di động thực hiện các dịch vụ băng rộng multimedia 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 cần phải thực hiện

Luận văn bước đầu tìm hiểu về giao thức Mobile IP và mạng di động 4G,

cơ chế xác thực trong Mobile IP, tổ chức của luận văn gồm 3 chương cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan về Mobile IP, cho một cái nhìn tổng thể về giao thức, các phiên bản Mobile Ipv4, Mobile Ipv6, về thuật toán chọn đường trong giao thức Mobile IP, qua đó đánh giá ưu điểm, nhược điểm của giao thức

Chương 2: Tổng quan về 4G, khái quát về mạng di động 4G, các thế hệ thông tin di động từ 1G - 3G Các đặc điểm cơ bản của 4G và các mô hình khuyến nghị

Chương 3: An toàn và bảo mật trong Mobile IP & 4G, cho biết vai trò của Mobile IP trong 4G, các cơ chế xác thực, đảm bảo an toàn cho Mobile IP

Cuối cùng tổng kết lại những kết quả đã đạt được của luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE IP

1.1 Khái niệm cơ bản

Mobile Ip là một giao thức của IETF giúp người dùng với thiết bị di động

có thể di chuyển từ mạng này sang mạng khác với những địa chỉ IP subnet khác nhau mà vẫn duy trì được kết nối đang diễn ra Mobile Ip trở thành giao thức không thể thiếu trong thế giới di động, trong công nghệ tương lai (công nghệ 4G) Mobile Ip có rất nhiều mở rộng và phát triển khác nhau như Mobile Ipv4, Mobile Ipv6, Fast Mobile Ip, Multiple CoA Mobile Ip,…

Mobile Ip cho phép các node tiếp tục nhận dữ liệu mà không quan tâm đến

vị trí kết nối của node vào mạng Internet Mobile Ip cung cấp các bản tin điều khiển cho phép các thành phần trong mạng cập nhật các bảng định tuyến một cách tin cậy Mobile Ip được triển khai mà không cần có bất cứ một yêu cầu nào với các tầng vật lý và liên kết dữ liệu, vì vậy Mobile Ip độc lập với các công nghệ truy cập không dây [3]

Một số khái niệm cơ bản trong Mobile Ip:

- Mobile Node (viết tắt là MN) nút di động: để chỉ một host hoặc một rounter thay đổi điểm kết nối từ mạng này sang mạng khác

- Home Agent (viết tắt là HA), khi MN di chuyển khỏi mạng thường trú (home network) nó cần một đại diện thay mặt, đại diện này là HA, vai trò của

HA là tạo đường hầm để chuyển tiếp gói tin đến MN khi nó rời khỏi mạng nhà

và lưu trữ thông tin ví trí hiện tại của MN

- Foreign Agent (viết tắt là FA), khi MN di chuyển khỏi mạng thường trú

nó phải có một địa chỉ tạm trú gọi là CoA (Care of Address) là địa chỉ IP có thể được sử dụng để truyền các gói dữ liệu đến đích tương ứng với địa chỉ này theo những giao thức tìm đường cơ bản của IP MN thông báo địa chỉ CoA cho HA

để biết địa điểm của MN, MN có địa chỉ này từ FA

- Correspondent Node (viết tắt là CN) là một node trong mạng có nhu cầu truyền thông với MN, CN không phải là một thành phần của Mobile Ip nhưng được đưa vào để mô tả hoạt động của giao thức

Nguyên tắc hoạt động của Mobile Ip

- Khi một MN ra khỏi mạng thường trú (home network), làm thế nào để MN biết là nó đã đi ra khỏi mạng cũng như tìm đại diện mới nếu đã ở mạng khách (foreign network)? HA và FA thường xuyên gửi gói tin quảng bá để thông báo khả năng của mình theo chu kỳ, do đó MN phát hiện ra nó đang ở mạng khác và tiến hành quá trình tìm kiếm đại diện tạm trú của nó

- Sau khi đã nhận được thông tin về FA, MN có thể bắt đầu liên lạc với FA

MN gửi yêu cầu đăng ký thông tin đến HA (ở đây là địa chỉ CoA, tùy theo phương thức kết nối mạng mà MN gửi đăng ký trực tiếp đến HA hoặc thông qua FA) để được lưu thông trong một thời gian, yêu cầu này có thể là cho phép hoặc

từ chối

- Nếu HA cho phép nó sẽ làm việc như người được ủy nhiệm của MN Khi mạng gốc của MN nhận được các gói tín hiệu có địa chỉ đến là MN, HA sẽ nhận những gói tin này đóng gọi lại và tiếp tục gửi tới địa chỉ của FA mà MN đã đăng

ký FA sẽ mở các gói tin này và gửi tới MN vì nó biết MN đang ở đó một cách chính xác HA dùng phương pháp đóng gói để chuyển thông tin cho MN bằng cách dùng thêm phần mào đầu của gói và chuyển theo đường hầm đến MN

- Quá trình trên sẽ tiếp tục cho đến khi hết hạn đăng ký hoặc MN chuyển đến mạng mới Khi xảy ra hiện tượng hết hạn, MN phải đăng ký lại với HA của

nó thông qua FA; khi MN chuyển đến mạng khác, nó gửi yêu cầu đăng ký mới qua FA mới, trong trường hợp này HA sẽ thay đổi địa chỉ nhờ chuyển CoA của

MN và sẽ gửi tiếp các gói tin đã đóng gói tới địa chỉ nhờ chuyển CoA

- Khi MN trở về mạng thường trú, nó gửi một yêu cầu đăng ký lại đến HA thông báo nó đã ở mạng nhà để không thực hiện đường hầm và dọn bỏ các địa chỉ nhờ gửi trước

Như vậy có thể phân chia thành 3 chức năng tương đối cách biệt như sau:

- Phát hiện agent (agent discovery): qua chức năng này các HA và FA có thể quảng bá khả năng của mình trên mỗi liên kết mà nó cung cấp dịch vụ MN mới đến một mạng có thể gửi các yêu cầu nhận thông tin để qua đó xác định các agent có khả năng phục vụ

- Đăng ký (registration): chức năng cung cấp cho MN khi hoạt động ở ngoài mạng nhà, MN sẽ đăng ký CoA của nó với HA Tùy thuộc vào phương thức kết nối mạng ở mạng khách mà MN sẽ gửi trực tiếp đăng ký đến HA hoặc thông qua trung gian chuyển tiếp là FA

- Tạo đường hầm (tunnelling): để chuyển tiếp dữ liệu đến MN khi rời khỏi mạng nhà, HA sẽ tạo một đường hầm và gửi dữ liệu đến CoA của MN

Nguyên tắc hoạt động của Mobile Ip có vẻ đơn giản nhưng đây cũng là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo sự di động trong thế hệ mạng tương lai, mạng 4G

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của Mobile Ip ta xem xét bản Mobile Ipv4

1.2 Giao thức Mobile Ipv4

Mobile Ipv4 thực hiện đầy đủ các chức năng: phát hiện agent, đăng ký và tạo đường hầm Các chức năng cụ thể thực hiện như sau

1.2.1 Phát hiện agent

Mobile IP sử dụng các bản tin để thực hiện, các bản tin được định nghĩa dựa trên giao thức tiêu chuẩn ICMP Router Discovery (Internet Control Message Protocol Router Discovery) Hai bản tin trong Mobile Ip được hình thành dựa trên 2 bản tin của ICMP có thêm phần mở rộng [3]

- Bản tin agent advertisement (bản tin quảng cáo trạm): được truyền bởi các trạm phục vụ để quảng cáo các dịch vụ của nó trên một liên kết MN dùng các bản tin quảng cáo này để xác định điểm kết nối hiện tại của nó vào Internet Bản tin agent advertisement chính là bản tin ICMP Router Advertisment được mở rộng thêm phần bắt buộc Mobility Agent Advertisement Extension, có thể có 2 phần tùy chọn phần Prefix-Lengths Extension, và One-byte Padding Extension, hoặc các phần mở rộng khác có thể được định nghĩa trong tương lai [3]

Cấu trúc bản tin Agent Advertisement được định nghĩa như hình vẽ sau:

Hình 1.1: Cấu trúc bản tin Agent Advertisement

Phần ICMP:

Trường Code: giá trị 0 trạm phục vụ điều khiển lưu lượng thông thường, tức

là nó hoạt động như một router cho các gói IP của MN hoặc của các máy trạm khác; giá trị 16 trạm phục vụ không định tuyến lưu lượng thông thường, tuy nhiên tất cả các FA ít nhất phải hướng đến một router mặc định bất kỳ các gói tin nhận được từ một MN đã đăng ký

Lifetime: độ dài thời gian tối đa mà bản tin agent advertisement này được xem là còn giá trị khi chưa nhận được các bản tin agent advertisement của cùng một trạm sau đó

Router address: địa chỉ IP của giao tiếp router mà tại đó bản tin này được gửi

Num addr: số các router address được quảng cáo trong bản tin này Đặc biệt trường này có thể được thiết lập thành 0

Nếu được gửi định kỳ, khoảng thời gian mà bản tin agent advertisement được gửi không nên dài quá 1/3 trường Lifetime được chỉ định Điều này cho phép một MN được bỏ lỡ 3 bản tin agent advertisement liên tiếp trước khi xóa trạm phục vụ từ danh sách các trạm phục vụ hợp lệ của nó Thời gian truyền thật

sự cho mỗi bản tin agent advertisement nên được tạo ngẫu nhiên ở mức nhỏ để tránh đồng bộ và xung đột với các bản tin agent advertisement khác có thể được gửi bởi các trạm phục vụ khác

- Bản tin agent solicitation (bản tin xin phép trạm) giống như bản tin ICMP Router Solicitaiton nhưng phần IP TimetoLive phải được thiết lập là 1 [3] Cấu trúc bản tin agent solicitation như sau:

Hình 1.2 : Cấu trúc bản tin Agent Solicitation 224.0.0.2: tất cả các router trên subnet này

1.2.2 Đăng ký

Một MN thực hiện đăng ký bất kỳ khi nào nó phát hiện điểm kết nối của nó vào mạng đã thay đổi từ liên kết này sang liên kết khác, đồng thời do các đăng

ký này chỉ hợp lệ trong một thời gian xác định (lifetime) nên một MN phải đăng

ký lại khi đăng ký của nó sắp hết hạn Đăng ký là phương pháp mà các MN: Yêu cầu các dịch vụ chuyển tiếp gói tin khi MN đang ở một mạng ngoài Cho HA của chúng biết CoA hiện tại của chúng

Làm mới lại một đăng ký sắp hết hạn

Hoặc hủy đăng ký khi chúng trở về mạng nhà[3]

Các bản tin đăng ký trao đổi thông tin giữa một MN và HA, có thể có thêm

FA Đăng ký dẫn đến việc tạo hoặc sửa một “liên kết di động” tại HA, đang liên kết home address của MN với CoA của MN trong thời gian Lifetime được chỉ định Thông qua thủ tục đăng ký cho phép một MN có khả năng:

Khám phá home address của nó, nếu MN không được cấu hình thông tin này

Duy trì nhiều đăng ký đồng thời, để tạo ra các bản copy của mỗi gói tin và các bản copy được chuyển đường hầm đến mỗi địa chỉ CoA

Hủy đăng ký CoA được chỉ định trong khi vẫn giữ lại các liên kết di động khác, và

Khám phá địa chỉ của một HA nếu MN không được cấu hình thông tin này Trong MobileIP cung cấp 2 kiểu thay thế cho việc nhận được một địa chỉ:

- Foreign Agent CoA: là một địa chỉ được cung cấp bởi FA thông qua các bản tin Agent Advertisement được FA quảng cáo FACoA là địa chỉ IP của FA Trong kiểu này FA là điểm cuối của đường hầm, FA lấy các gói tin ra khỏi đường hầm và phân phối các gói tin này đến MN Kiểu địa chỉ này được dùng

nhiều hơn vì nó cho phép nhiều MN cùng chia sẻ một CoA, do đó không phụ thuộc vào giới hạn địa chỉ IP của Ipv4

- CcoA là một địa chỉ cục bộ của vùng mạng ngoài, được cấp cho MN khi nó đến vùng mạng ngoài này Địa chỉ có thể được yêu cầu động như là một địa chỉ tạm thời của MN thông qua DHCP, hoặc có thể được sở hữu bởi MN như là địa chỉ dài hạn, và địa chỉ này chỉ được sử dụng khi MN viếng thăm mạng ngoài Khi dùng địa chỉ CCoA, MN phục vụ như là điểm kết cuối của đường hầm và chính MN thực hiện lấy gói tin được chuyển đường hầm đến nó Kiểu dùng địa chỉ CcoA có thuận lợi là cho phép MN hoạt động mà không cần sự có mặt của

FA, tuy nhiên nó tăng gánh nặng trên địa chỉ Ipv4 vì nó yêu cầu một nhóm các địa chỉ trong mạng ngoài phải được dự trữ sẵn [3]

Tương ứng với 2 kiểu địa chỉ Mobile IP cho phép 2 thủ tục đăng ký khác nhau, một theo FA rồi FA mới xử lý và truyền bản tin đăng ký đến HA của MN; một trực tiếp với HA của MN, tuy nhiên cả 2 cách đều phải tuân theo các quy tắc sau:

+ Nếu một MN đang đăng ký một địa chỉ FA CoA, MN phải đăng ký theo

FA đang quảng cáo địa chỉ CoA đó

+ Nếu một MN đang dùng một địa chỉ CCoA, và nhận một bản tin Agent Advertisement có bit ‘R’ được bật, từ một FA trên liên kết mà nó đang dùng địa chỉ CcoA này, MN phải đăng ký theo FA này

+ Nếu FA không yêu cầu đăng ký và nếu một MN đang dùng một CcoA,

MN phải đăng ký trực tiếp với HA của nó

+ Nếu một MN đã trở về đến mạng nhà của nó và đang đăng ký với HA của

nó, MN phải đăng ký trực tiếp với HA

Cả 2 kiểu đăng ký trên (trực tiếp với HA hoặc gián tiếp qua FA) đều thông qua việc trao đổi các bản tin Registration Request và Registration Reply

- Bản tin Registration Request (bản tin yêu cầu đăng ký): bản tin được gửi bởi một MN để bắt đầu tiến trình đăng ký MN gửi bản tin Registraton Request

có thể trực tiếp đến HA hoặc gián tiếp thông qua FA Bản tin gồm phần mào đầu

IP, phần mào đầu UDP và các phần mở rộng Phần mở rộng Mobile Home Authentication Extension là bắt buộc [3] Cấu trúc bản tin Registration Request như sau:

Hình 1.3 Cấu trúc bản tin Registration Request

- Bản tin Registration Reply (bản tin trả lời đăng ký): trạm phục vụ sẽ trả lời bản tin Registration Reply đến MN đã gửi bản tin Registration Request Nếu

MN đang yêu cầu dịch vụ từ một FA, thì FA sẽ nhận bản tin Registration Reply

từ HA, xử lý và truyền nó đến MN Bản tin Registration Reply chứa trường code cho MN biết về kết quả việc đăng ký, bản tin này có Lifetime được chấp nhận bởi HA, giá trị của trường này có thể nhỏ hơn trong bản tin đăng ký gốc FA không được tăng Lifetime do MN chọn trong Registration Request, vì Lifetime được đặt trong phần chứng thực Mobile Home Authentication Extension HA không được tăng Lifetime vì thực hiện điều này có thể khiến Lifetime tăng quá Lifetime tối đa được cho phép bởi FA Nếu Lifetime trong 2 bản ghi Registration Request và Reply khác nhau thì giá trị nhỏ hơn sẽ được dùng [3] Cấu trúc bản tin Registration Reply như sau:

Hình 1.4 : Cấu trúc bản tin Registration Reply Thông qua việc trao đổi các bản tin Registration Request và Reply có 2 kiểu đăng ký : trực tiếp với HA và gián tiếp thông qua FA

Đăng ký gián tiếp thông qua FA: thủ tục đăng ký gồm 4 giai đoạn:

+ MN gửi một bản tin Registration Request đến FA để bắt đầu tiến trình đăng ký

+ FA xử lý bản tin Registration Request và sau đó truyền nó đến HA

+ HA gửi một bản tin Registration Reply đến FA để chấp nhận hoặc từ chối yêu cầu đăng ký

+ FA xử lý bản tin Registration Reply và sau đó truyền nó đến MN để MN biết việc đăng ký thành công hay thất bại

Hình 1.5: Mobile Node đăng ký gián tiếp

Đăng ký trực tiếp với HA: thủ tục đăng ký gồm 2 giai đoạn

+ MN gửi một bản tin Registration Request đến HA

+ HA gửi một bản tin Registration Reply đến MN, nhằm chấp nhận hay từ chối yêu cầu đăng ký

Hình 1.6: Mobile Node đăng ký trực tiếp 1.2.3 Tạo đường hầm

Các gói được đánh địa chỉ đến MN được định tuyến đến mạng nhà của nó, tại đây HA bắt gói và đẩy vào đường hầm đến CoA (hướng về MN) Tạo đường hầm có 2 chức năng chính: đóng gói các gói dữ liệu để tiến đến điểm kết thúc đường hầm, và mở gới khi gói được phân phối đến điểm kết thúc Kiểu đường hầm mặc định là IP đóng gói trong IP CoA chỉ đơn giản là điểm cuối của đường hầm, nó có thể là địa chỉ của FA, hoặc là địa chỉ tạm thời được yêu cầu bởi MN[3]

1.3.1 Các tùy chọn trong Mobile Ipv6

Có 4 tùy chọn đích được định nghĩa trong Mobile Ipv6

- Cập nhật liên kết (Binding Update): tùy chọn “Cập nhật liên kết” được sử dụng bởi MN để thông báo cho HA hoặc các CN biết về CoA hiện tại của nó Bất kỳ gói tin nào chứa tùy chọn cập nhật liên kết phải chứa các header AH (Authentication Header) và ESP (Encapsulating Security Payload)

- Sự báo nhận liên kết (Binding Acknowledgement): tùy chọn “Sự báo nhận liên kết” được sử dụng để yêu cầu đưa ra báo nhận khi nhận được cập nhật liên kết Bất kỳ một gói tin nào chứa lựa chọn sự báo nhận liên kết cũng đều phải chứa header AH và ESP

- Yêu cầu liên kết (Binding Request): được sử dụng bất kỳ node nào muốn yêu cầu một MN gửi cập nhật liên kết với CoA

- Địa chỉ nhà (Home Address): được sử dụng khi một gói tin được gửi bởi một

MN để thông báo cho bên nhận gói tin này về địa chỉ Haddr của MN đó Nếu một gói tin với lựa chọn địa chỉ nhà được xác thực thì lựa chọn địa chỉ nhà cũng phải được kiểm tra bởi xác thực này

1.3.2 Cấu trúc dữ liệu

Đặc tả Mobile Ipv6 mô tả giao thức theo 3 cấu trúc dữ liệu sau:

- Bộ nhớ đệm liên kết (Binding Cache – BC): mỗi node Ipv6 có một BC được sử dụng để lưu thông tin về các liên kết với các node khác Nếu một node nhận được một cập nhật liên kết, nó sẽ đưa thêm liên kết đó vào BC Mỗi khi gửi đi một gói tin, node sẽ tìm kiếm trong BC để xác định địa chỉ cần gửi

- Danh sách cập nhật liên kết (Binding Update List - BUL): mỗi MN sẽ

có một BUL được sử dụng để lưu thông tin về các cập nhật liên kết được gửi bởi chính MN khi mà Lifetime của cập nhật liên kết chưa hết hạn, BUL chứa mọi cập nhật liên kết đực gửi tới tất cả CN (kể cả di động và cố định) và tới HA của

nó

- Danh sách HA (Home Agent List): mỗi HA trong mạng nhà sẽ có một danh sách chứa thông tin về mọi HA khác trong mạng đó Thông tin về danh sách này được thu nhập từ các bản tin quảng cáo router được gửi bởi các HA, trong bản tin đó cời HA phải được thiết lập Thông tin về mọi HA được sử dụng bởi cơ chế phát hiện HA động

1.4 Cơ chế định tuyến gói tin trong Mobile IP

Cơ chế định tuyến gói tin thực hiện cả trên MN, HA, FA, sau đây ta xét việc định tuyến ở từng nút

1.4.1 Định tuyến gói tin bởi MN

Khi được kết nối với HA của mình, MN hoạt động không có sự hỗ trợ của các dịch vụ di động Nghĩa là nó hoạt động giống như một host hay router cố định nào đó MN có thể dựa vào DHCP để biết một router mặc định khi được kết nối đến HA của mình hoặc khi ra khỏi mạng chủ và dùng địa chỉ CCOA Khi được đăng ký trên mạng khách, MN chọn một router mặc định sử dụng các quy luật sau :

- Nếu MN được đăng ký dùng FA COA, thì MN có thể xem địa chỉ nguồn

IP của thông báo agent như sự lựa chọn có thể khác cho địa chỉ IP của một router mặc định Trong các trường hợp như thế, địa chỉ nguồn IP được xem xét như là sự lựa chọn không thích hợp nhất (ưu tiên thấp nhất) cho router mặc định

- Nếu MN được đăng ký trực tiếp với HA của nó dùng CCOA, thì MN nên chọn router mặc định của nó từ trong bản tin ICMP Router Advertisement mà nó thu cho địa chỉ mà CCOA và địa chỉ router phù hợp theo prefix mạng Nếu

CCOA của MN phù hợp với địa chỉ nguồn IP của thông báo agent theo prefix mạng, MN cũng có thể coi địa chỉ nguồn IP như là sự lựa chọn có thể khác cho địa chỉ IP của router mặc định, cùng với các địa chỉ router mà có thể được biết

từ phần ICMP Router Advertisement của bản tin Nếu thế, địa chỉ nguồn IP được xem như sự lựa chọn không thích hợp nhất (ưu tiên thấp nhất) cho router mặc định Prefix mạng có thể nhận được từ prefix-length extension trong Router Advertisement, nếu có Nó cũng dùng được cho prefix để nhận được thông qua các cơ chế khác (chẳng hạn các giao thức thuộc quyền sở hữu độc quyền) [4,3] Ngoài các quy luật này, sự lựa chọn router mặc định thật sự được thực hiện bởi phương pháp lựa chọn đã chỉ trong ICMP router discovery Trong trường hợp nào đó, MN đã đăng ký theo cách FA có thể chọn FA của nó như router mặc định MN có thể sử dụng ARP quảng bá để xác định địa chỉ lớp 2 của FA hoặc router mặc định khác Điều này làm cho việc sử dụng của các router khác được thông báo trong ICMP router advertisement không chắc chắn cho đến khi các cơ chế mới được thiết lập cho việc dùng với Mobile IP

1.4.2 Định tuyến gói tin bởi HA

HA được yêu cầu để có thể chặn các gói tin trên mạng chủ đề địa chỉ gửi đến MN trong khi MN được đăng ký rời khỏi mạng nhà Proxy và gratuitous ARP có thể được sử dụng để có thể thực hiện công việc này

HA phải so sánh địa chỉ IP đích của tất cả các gói tin đến có phải là home address của mobile node nào đó đã đăng ký rời khỏi mạng chủ không Nếu đúng, HA truyền đường hầm gói tin đến COA hoặc các địa chỉ hiện đã đăng ký Nếu HA hỗ trợ khả năng tùy chọn của nhiều danh sách (binding) di động đồng thời, nó truyền tunnel bản copy đến mỗi COA trong danh sách (binding) di động của MN Nếu MN không có các binding di động hiện tại, HA không được phép

nỗ lực chặn các gói định gửi đến MN Vì vậy trong hình 1.7A, HA sẽ không nhận các gói tin Tuy nhiên nếu HA cũng là một router xử lý lưu lượng IP chung, như trong hình 1.7B, nó có thể thực hiện được việc nhận các gói tin để gửi đến mạng chủ Trong trường hợp này, HA được yêu cầu để thừa nhận MN đang ở nhà và gửi một cách đơn giản gói tin một cách trực tiếp đến mạng chủ

Hình 1.7: Các cách để đặt một HA trên mạng chủ

Khi HA nhận một gói tin, chặn gói tin cho một trong những MN đã đăng ký rời khỏi nhà, HA xem gói tin để kiểm tra gói tin đã được đóng gói hay chưa Nếu thế, hai quy tắc đặc biệt được áp dụng để gửi gói tin đến MN :

- Nếu inner (đã đóng gói) destination address giống như outer destination address (home address của MN), thì HA cũng được yêu cầu để kiểm tra outer source address của gói tin đã đóng gói (địa chỉ nguồn của tunnel) Nếu outer source address này giống như COA hiện tại của MN, HA được yêu cầu để bỏ gói tin đó để ngăn chặn khả năng vòng lặp định tuyến.Nếu, outer source address không giống COA hiện tại của MN, thì HA nên gửi gói tin đến MN Để gửi gói tin trong trường hợp này, HA có thể đơn giản thay đổi outer destination address thành COA hơn là đóng gói lại gói tin

- Nếu inner destination address không giống như outer destination address,

HA nên đóng gói lại gói tin (đóng gói đệ quy) với outer destination address mới được đặt bằng COA của MN Nghĩa là HA gửi toàn bộ gói tin đến MN như cách của gói tin khác (được đóng gói hay không)

1.4.3 Định tuyến gói tin bởi FA

Khi thu gói tin đóng gói gửi đến COA được thông báo, một FA được yêu cầu để so sánh inner destination address với các các đầu vào trong danh sách tạm trú của nó Khi đích phù hợp với địa chỉ của MN nào đó hiện đang trong danh sách tạm trú, FA gửi gói tin đã được mở gói đến MN Ngược lại, FA không thể gửi gói tin mà không có các sửa đổi đến header IP nguyên thủy; và một vòng

A

Router

Home

Mạng chủ vật lý

lặp định tuyến có khả năng xảy ra Chú ý rằng nếu FA sử dụng các kỹ thuật của tối ưu định tuyến (route optimization), các kết quả có thể đạt được Ngược lại, gói tin nên được loại bỏ Bản tin ICMP destination unreachable không được phép gửi khi FA không thể gửi gói tin được truyền đường hầm đến[3,4]

FA không được phép thông báo sự có mặt của MN hoặc router nào đó đến các router khác trong routing domain của nó, cũng như bất kỳ MN khác nào đó

FA được yêu cầu định tuyến các gói tin nhận được từ các MN đã đăng ký Tại mức tối thiểu, nghĩa là FA phải xác nhận IP header checksum, giảm bớt IP TTL, tính toán lại IP header checksum và gửi các gói tin đến một router mặc định

1.4.4 Định tuyến tối ưu

Giao thức Mobile IP cơ bản cho phép MN di chuyển, thay đổi điểm truy cập internet trong khi liên tục được nhận diện bởi địa chỉ IP nhà Các correspondent node muốn gửi các gói IP đến MN, trước hết gửi gói tin đến HA của MN theo cùng cách như với đích khác nào đó (hay còn gọi là định tuyến tam giác) Vì vậy các gói tin đến MN thường được định tuyến theo các đường dài hơn một cách đáng kể Việc định tuyến không trực tiếp này có thể gây trễ đáng kể việc truyền gói tin đến MN và nó làm nặng gánh không cần thiết trên các mạng và các router theo các tuyến qua internet

Hình 1.8: Định tuyến tam giác

Sau đây sẽ trình bày các mở rộng đến hoạt động của giao thức Mobile IP cơ bản để cho phép việc định tuyến tốt hơn, để các gói tin có thể được định tuyến từ correspondent node đến MN mà đầu tiên không qua HA Các mở rộng này gọi là tối ưu định tuyến

Hình 1.9: Định tuyến tối ưu

Các mở rộng tối ưu định tuyến cung cấp phương thức cho các node để bổ sung việc lưu trữ danh sách (binding) của MN và rồi truyền tunnel các gói tin trực tiếp đến COA được chỉ trong danh sách đó, bỏ qua định tuyến đường dài đến và từ HA của MN

Bởi vì tối ưu định tuyến ảnh hưởng đến việc định tuyến của các gói IP đến

MN, nó có thể được nhận thực sử dụng cùng cơ chế được dùng trong giao thức Mobile IP cơ bản Nhận thực này dựa vào sự phối hợp an ninh di động được thiết lập trước giữa người gửi và người nhận các bản tin đó

Một node nào đó có thể duy trì bộ lưu trữ danh sách (binding cache) để tối

ưu thông tin của nó đến MN Một node có thể tạo ra hoặc cập nhật một đầu vào binding cache cho MN chỉ khi nó đã nhận và nhận thực danh sách di động của

MN Theo như trước, mỗi binding trong binding cache có trường lifetime, được nêu trong bản tin cập nhật binding mà trong đó node chứa một binding Sau khi hết hạn chu kỳ thời gian này, binding được xóa khỏi cache Thêm nữa, một node cache có thể sử dụng các tìm lực có thể để quản lý không gian bên trong binding cache Khi một đầu vào mới cần được thêm đến binding cache, node có thể chọn

để loại bỏ đầu vào nào đó hiện trong binding cache, nếu cần, để dành không gian cho đầu vào mới

Khi HA của MN chặn gói tin từ mạng chủ và truyền tunnel đến MN, HA có thể suy ra rằng nguồn ban đầu của gói tin không có đầu vào binding cache cho

MN đích HA nên gửi bản tin cập nhật binding đến node nguồn ban đầu, thông

báo nó binding di động hiện tại của MN Cập nhật binding được nhận thực bởi node nguồn ban đầu, node nguồn và HA phải thiết lập một an ninh di động Tương tự khi một node nào đó (chẳng hạn FA) nhận một gói tin được truyền đường hầm, nếu nó có đầu vào binding cache cho MN đích (và vì vậy không có đầu vào danh sách tạm trú cho MN này), node nhận gói tin truyền tunnel này có

Mobile Node

tạm trú tại

foreign link

Foreign Agent

Home Agent

Correspondent

thể suy ra rằng node truyền tunnel có đầu vào binding cache hết hạn

(out-of-date) cho MN này Trong trường hợp này, node nhận nên gửi một bản tin cảnh

báo binding đến HA của MN, báo nó gửi bản tin cập nhật binding đến node

truyền tunnel gói tin này HA của MN có thể được nhận biết từ đầu vào binding cache; thường thì địa chỉ HA được biết từ cập nhật binding mà đã thiết lập đầu vào cache này Địa chỉ của node mà đã truyền tunnel gói tin này có thể được nhận biết từ header của gói tin, bởi vì địa chỉ của node truyền tunnel gói tin này

là outer source address của gói tin được đóng gói Tuy nhiên không như bản tin cập nhật binding, bản tin cảnh báo binding không cần thiết nhận thực, bởi vì nó không tác động trực tiếp định tuyến các gói tin IP đến MN

1.5 Đánh giá về Mobile Ipv4, Mobile Ipv6

- Việc triển khai Mobile Ipv4 không làm ảnh hưởng đến việc lưu thông trên mạng, các node có hay khôn hỗ trợ di động vẫn hoạt động trao đổi dữ liệu bình thường

- Các chức năng của các tầng trên không bị ảnh hưởng

CN

- Hiện tượng cần thiết lập đường hầm ngược: khi triển khai Mobile Ipv4 tồn tại các firewall, MN sử dụng địa chỉ Haddr của mình như là địa chỉ nguồn của các gói tin mà nó sẽ gửi, nhưng firewall lại khôn cho phép các gói tin có địa chỉ mạng không giống như địa chỉ mạng mà nó đang bảo vệ, vì vậy các gói tin của MN có thể sẽ không được phép qua firewall Để tránh giải pháp này, cơ chế

thiết lập đường hầm ngược được sử dụng Khi đó một đường hầm sẽ được thiết lập với 2 đầu đường hầm là: vị trí ứng với CoA và HA Giải pháp này vô hình dung đã làm giảm hiệu năng của hệ thống

- Vấn đề với NAT: NAT (Network Address Translators) được sử dụng trong mạng để phục vụ các địa chỉ IP public cho các máy trạm có trong mạng khi có nhu cầu truy nhập Internet ( với địa chỉ IP cục bộ của mình, các trạm này không thể trực tiếp kết nối với Internet), số lượng địa chỉ này có giới hạn nên có thể nhiều trạm chia sẻ một địa chỉ IP và vì vậy cần được phân biệt thôn qua số hiệu cổng Điều này nảy sinh vấn đề khi Mobile Ipv4 được triển khai, khi HA hoặc CN tạo ra gói tin đường hầm kiểu IP-in-IP và gửi đến CoA của MN, nhưng

do sự giới hạn của số lượng CoA nên nhiều MN chia sẻ một CoA Khi gói tin đến NAT tại mạng khách, gói tin sẽ cần phải gửi đến đúng MN nhưng lại không

có số hiệu cổng vì vậy không thể gửi đến đúng MN Giải pháp cho vấn đề này là bao gói IP-in-UDP, để UDP header có thể cung cấp số hiệu cổng phục vụ cho triển khai NAT

- Vấn đề thiếu địa chỉ: trong Mobile Ipv4 dù đã sử dụng địa chỉ CoA, nhưng MN vẫn cần có Haddr vì vậy dẫn đến khả năng không đủ địa chỉ IP cung cấp cho MN tại mạng nhà Giải pháp đưa ra là sử dụng cơ chế cấp phát địa chỉ

IP động thông qua giao thức DHCP

- Vấn đề với FA: việc cần phải cài đặt FA trong mạng khách có thể là chướng ngại lớn nhất đối với việc triển khai Mobile Ipv4 Thêm FA tức là cần phải có một thành phần mạng có chức năng chuyên biệt điều này sẽ làm các nhà quản lý mạng cân nhắc trước khi triển khai Nếu MN chuyển đến một mạng khác không có FA, coi như MN sẽ mất kết nối với mạng Vấn đề an toàn bảo mật sẽ được thực hiện khó khăn hơn vì HA cần phải kiểm tra độ tin cậy của FA Triển khai FA nghĩa là vi phạm một điểm trong nguyên tắc thiết kế end-to-end của mạng do có một trạm trung gian sửa đổi thông tin trong gói tin

1.5.2 Mobile Ipv6

Mobile Ipv6 được dựa vào hỗ trợ quản lý di động trong giao thức Ipv6, đã giải quyết được nhiều vấn đề trước đây là nhược điểm của Mobile Ipv4 như :

- Chỉ có duy nhất địa chỉ CCoA được sử dụng, vì số lượng địa chỉ IP

mà Ipv6 cung cấp là tương đối lớn với 128 bit địa chỉ

- Trong Mobile Ipv6 không cần có sự xuất hiện của FA vì các đặc điểm mởi rộng của Ipv6 như Neighbour Discovery, Address Auto-configuration, và bất kỳ router nào cũng có khả năng gửi các bản tin router advertisement

- Tối ưu hóa đường đi (router optimization) được coi như thành phần cơ bản trong Mobile Ipv6

- Không cần có cơ chế tạo đường hầm ngược, địa chỉ của MN được lưu trong gói tin thông qua lựa chọn đích Home Address Điều này cho phép MN sử dụng CoA của nó như là địa chỉ nguồn trong IP Header của gói tin gửi đi, do đó, gói tin sẽ không gặp vấn đề gì trở ngại với firewall

- Các gói tin không cần được bao gói, vì CoA của MN được lưu trong Routing Header của gói tin gốc

Không cần phân biệt các gói tin điều khiển một cách riêng rẽ, bởi vì tùy chọn đích cho phép các thông điệp điều khiển được đưa vào các tùy chọn của gói tin

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ 4G

Nhu cầu trao đổi dữ liệu, sử dụng dịch vụ đa phương tiện, nhu cầu giải trí (nghe nhạc, xem phim, chơi game .) trên thiết bị di động ngày càng tăng khi điều kiện sống của chúng ta tăng Trước nhu cầu đó, các chuẩn về hệ thống thông tin di động 3.5G, 4G đã được nghiên cứu và phát triển Năm 2006, ở Nhật Bản, Hãng viễn thông NTT DoCoMo đã triển khai thành công và đưa vào khai thác hệ thống di động 3.5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Hệ thống HSDPA được mở rộng, phát triển từ hệ thống di động thế hệ 3 (W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access), cho tốc độ đường xuống là 14Mbps, đường lên 5,7Mbps (trên lý thuyết) Còn với hệ thống 4G, theo thử nghiệm mới nhất của hãng viễn thông NTT DoCoMo (Nhật Bản), cho tốc độ 5Gbps ở môi trường trong nhà (indoor), và tốc độ 100Mbps ở môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động tốc độ 250km/h

Với sự bùng nổ về tốc độ của hệ thống di động 4G, thì hệ thống 4G sẽ được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống Hệ thống 4G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ như: dịch vụ cung cấp nội dung tiến tiến, dịch vụ chăm sóc sức khỏe, dịch vụ đặt hàng di động, thương mại di động, phòng chống thiên tai

Hiện nay, ở nước ta đang tồn tại đồng thời nhiều thế hệ của hệ thống di động (2G, 2.5G, 3G) Việc triển khai hệ thống di động 4G vẫn là vấn đề trong tương lai Nhưng trước những xu thế phát triển chung về công nghệ viễn thông, đặc biệt là công nghệ thông tin di động, thì việc tìm hiểu hệ thống thông tin di động 4G là cần thiết

2.1 Toàn cảnh hệ thống thông tin di động

Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến và công nghệ cao Ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách là một trong những giấc mơ lâu đời nhất của loài người và giấc mơ đó đang ngày càng trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kỹ thuật và công nghệ Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 Kể từ đó nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng

Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được nghiên cứu tại một số nước

Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất và thứ hai là thoại còn dịch vụ thế hệ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện

Các hệ thống thông tin di động tế bào số hiện nay đang ở giai đoạn thế hệ thứ hai cộng (2.5G), thế hệ thứ ba và thế hệ thứ ba cộng (3.5G) Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động nên ngay từ đầu những năm 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ ba Liên hiệp Viễn thông Quốc tế bộ phận vô tuyến (ITU-R) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000 Ở Châu Âu, Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đã thực hiện tiêu chuẩn hoá phiên bản của hệ thống này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu) Hệ thống mới này làm việc ở dải tần 2GHz và cung cấp nhiều loại dịch vụ bao gồm từ các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ thấp hiện có đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên tới 2Mbps Tốc độ cực đại này chỉ có ở các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc độ 14,4Kbps sẽ được đảm bảo cho thông tin di động thông thường ở các ô macro Người ta cũng đang nghiên cứu các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư có tốc độ cho người sử dụng khoảng 2Gbps Ở hệ thống di động băng rộng (MBS) thì các sóng mang được sử dụng ở các bước sóng mm, độ rộng băng tần 64MHz

và dự kiến sẽ nâng tốc độ của người sử dụng đến STM-1 [1]

Hiện nay, trên các quốc trên thế giới ở hầu hết các nước đã triển khai hệ thống di động 3G Theo thống kê của hai hãng Informa Telecom & Media và WCIS and 3G America, hiện nay có 181 hãng cung cấp dịch vụ trên 77 quốc gia

đã đưa vào khai thác dịch vụ các mạng di động thế hệ 3 của mình Với hệ thống

di động 3.5G (HSDPA) thì có đến 135 hãng cung cấp dịch vụ trên 63 quốc gia

đã cung cấp các dịch vụ của hệ thống di động 3.5G Hệ thống tiền 4G (Pre-4G)

là WiMax cũng đã được triển khai và đưa vào khai thác dịch

Thời kỳ đầu, khi mới triển khai, hệ thống di động thế hệ thứ nhất mới chỉ cung cấp cho người sử dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền 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 trên cơ sở khai thác mạng hiện có

Từ đó các nhà khai thác đã phải triển khai các hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn Cùng với Internet, Intranet đang trở thành một trong những hoạt động kinh doanh ngày càng quan trọng, một trong các hoạt động này là xây dựng các công sở vô tuyến để kết nối các cán bộ

“di động” với xí nghiệp hoặc công sở của họ Ngoài ra, tiềm năng to lớn đối với

các công nghệ mới là cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết bị vô tuyến sẽ tạo ra các nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác Do vậy,

để đáp ứng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh, đồng thời đảm bảo tính kinh tế thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (GSM, PDC, IS-136 và cdmaOne) đã từng bước chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Khi mà nhu cầu về các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao tăng mạnh, mà tốc độ của hệ thống 3G hiện tại không đáp ứng được thì các

tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và chuẩn hóa hệ thống di động 4G

Quá trình phát triển của thông tin di dộng từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ

tư được mô tả như sau:

+ SMR (Specialized Mobile Radio): Vô tuyến di động chuyên dụng

+ GSM(900) (Global System for Mobile): Hệ thống thông tin di động toàn cầu băng tần 900MHz

+ GSM(1800): Hệ thống GSM băng tần 1800MHz

+ cdma2000 1x: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 1

+ WCDMA (Wideband CDMA): Hệ thống CDMA băng rộng

+ cdma2000 Mx: Hệ thống cdma2000 giai đoạn 2

+ HSPA (High Speed Packet Access): Hệ thống di động truy cập gói tốc độ cao Hệ thống HSPA được chia thành 3 công nghệ sau:

- HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường xuống tốc độ cao

- HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): Hệ thống truy cập gói đường lên tốc độ cao

- HSODPA (High Speed OFDM Packet Access): Hệ thống truy cập gói OFDM tốc độ cao

+ Pre-4G: các hệ thống tiền 4G, gồm có WiMax và WiBro (Mobile Wimax)

+ WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access

+ WiBro: Wireless Broadband System: Hệ thống băng rộng không dây

Có thể khái quát một số nét chính của các công nghệ thông tin di động từ 1G đến 3G như sau:

- Thế hệ thứ nhất 1G:

Thế hệ thông tin di dộng 1G là các hệ thống tương tự, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, bắt đầu xuất hiện vào đầu thập niên 80

và hoạt động cho đến khi bị thay thế bởi các thế hệ 2

Các chuẩn công nghệ phổ biến nhất của thế hệ này là: Hệ thống điện thoại

di động cao cấp (AMPS – Advance Mobile Phone System) phát minh bởi Bell Labs và cài đặt tại Mỹ năm 1982 Phiên bản được sử dụng tại châu Âu của AMPS có tên TACS (Total Access Communication System)

- Thế hệ thứ hai 2G:

Thế hệ thứ hai 2G xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên,

sử dụng kỹ thuật phân chia theo thời gian (TDMA) Trong thời kỳ này nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thêu bao và các

dịch vụ gia tăng Các mạng thế hệ thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chế trong khoảng từ 9.6kbps đến 19.2 kbps, chủ yếu sử dụng cho mục đích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh

Không có một chuẩn chung nào cho 2G nhưng chủ yếu các hệ thống 2G dựa trên các chuẩn công nghệ sau:

D- AMPS (Digital AMPS): được sử dụng tại Bắc Mỹ và đang dần được

thay thế bởi GSM / GPRS và CDMA2000 D-AMPS sử dụng kênh AMPS sẵn

có và cho phép chuyển đối giữa các hệ thống số và tương tự trong cùng một khu vực diễn ra AMPS chia mỗi cặp kênh 30kHz thành 3 khe thời gian và nén dữ liệu thoại theo các phương pháp số Hệ thống số cũng làm cho các cuộc gọi trở nên an toàn hơn cho người sử dụng các phương pháp mã mật

GSM (Global System for Mobile Comunication): Các hệ thống triển

khai GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế thời (trừ Bắc Mỹ và Nhật) Hệ thống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di động truyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn (chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM) Trong cả hai hệ thống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặp tần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống Tuy nhiên, các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSM cung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS

CDMA (Code Division Multiple Access): D-AMPS và GSM là các hệ

thống tương đối truyền thống, chúng sử dụng cả hai công nghệ FDM và TDM để chia phổ tần số ra thành các kênh và các kênh này được gán với các khe thời gian CDMA sử dụng công nghệ đa truy cập thông qua mã Nhờ công nghệ này

mà CDMA có thể nâng cao dung lượng cung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với 2 công nghệ trên Thông qua Qualcomm, CDMA đã phát triển và trở thành một giải pháp công nghệ tốt nhất và trở thành nền tảng của các hệ thống di động thế hệ thứ 3

PDC (Personal Digital Cellular): là chuẩn được phát triển và sử dụng duy

nhất tại Nhật Bản Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA Chuẩn PDC được NTTDoCoMo đưa vào triển khai trong dịch vụ Digital MOVA vào tháng 3/1993 PDC sử dụng tần số mạch gói là 28.8kHz, 3 khe thời gian, đạt tốc

độ chuyển mạch kênh là 9.6kbps và chuyển mạch gói là 28.8kHz PDC hoạt động hai băng tần 800MHz và 1.5GHz

Cải tiến từ các mạng 2G, các mạng 2.5G như GPRS sử dụng chuyển mạch kênh cho thoại và chuyển mạch gói cho dữ liệu, đã trở nên phổ biến vì phương thức chuyển mạch gói sử dụng băng thông hiệu quả hơn rất nhiều, băng thông

tốc độ tối đa lên tới 171.2kbps (thực tế là 33kbps) Trong hệ thống này, tất cả các gói tin của mỗi người dùng đều cạnh tranh băng thông với nhau và người dùng chỉ bị tính cước cho lượng dữ liệu được gửi đi

- Thế hệ thứ ba 3G:

Tiếp theo, các mạng 3G đã được đề xuất để khắc phục những nhược điểm của các mạng 2G và 2.5G đặc biệt ở tốc độ thấp và không tương thích giữa các công nghệ như TDMA và CDMA giữa các nước

Vào năm 1992, ITU công bố chuẩn IMT-200 (International Mobile Telecommunication-2000) cho hệ thống 3G với các ưu điểm chính được mong đợi đem lại bởi hệ thống 3G là:

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, )

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, )

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầu giữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internet băng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưng thực tế triển khai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có các người sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộ băng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng

ô tô sẽ là 144Kbps

Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống IMT-2000, điều này dẫn đến khả năng tương thích giữa các mạng 3G trên toàn thế giới Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạo: UMTS (W-CDMA) và CDMA2000[1,6,13]

UMTS (W-CDMA)

UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên công nghệ CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triển khai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G UMTS được hỗ trợ bởi Liên Minh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP (third Generation Partnership Project), tổ chức chịu trách nhiệm cho các công nghệ GSM, GPRS UMTS hoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao một cách hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có

W-CDMA2000

Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2 CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi 3GPP của UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSM hoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2

Hiện nay, đã có nhiều nỗ lực hướng đến thống nhất hai chuẩn này thành một chuẩn chung, nhưng thực tế thì vấn đề ngăn cản tiến trình thống nhất này không đến từ các vấn đề kỹ thuật công nghệ mà chủ yếu từ vấn đề trong các lĩnh vực nhạy cảm như: kinh tế, chính trị

Các ích lợi đem lại từ việc triển khai 3G là không thể chối cãi, tuy nhiên, các khó khăn trong việc duy trì nguồn ngân sách cho triển khai các hệ thống này (chi phí mua quyền sử dụng băng tần (licese), chi phí triển khai hệ thống) trong bối cảnh suy thoái kinh tế thế giới đã cản trở việc triển khai 3G tại nhiều quốc gia Hiện tại chỉ có Nhật Bản và Hàn Quốc đã triển khai thành công các hệ thống điện thoại di động thế hệ 3

2.2 Hệ thống thông tin di động 4G

Hệ thống di động thế hệ thứ tư (4G) dự kiến sẽ đưa vào sử dụng, khai thác vào khoảng năm 2012 Với sự đột phá về tốc độ và dung lượng, hệ thống di động 4G sẽ cung cấp những dịch vụ phục vụ sâu hơn vào đời sống sinh hoạt thường nhật, công việc cũng như có sự tác động lớn đến lối sống của chúng ta trong tương lai gần Cụ thể hơn trong từng khía cạnh của cuộc sống được trình bày dưới đây

Trong giáo dục, nghệ thuật, khoa học

Nhờ có sự ưu việt của hệ thống 4G, sự tiên tiến của thiết bị đầu cuối, học sinh, sinh viên, các nhà nghiên cứu khoa học có thể trao đổi thông tin hình ảnh, thoại, và các thông tin cần thiết cho việc học tập, nghiên cứu mà không có rào cản nào về khoảng cách cũng như ngôn ngữ Thiết bị đầu cuối di động của hệ thống di động thế hệ 4G (điện thoại cầm tay, đồng hồ đeo tay .) có tích hợp camera, có chức năng thông dịch ngôn ngữ tự động giúp họ trao đổi thông tin trực tiếp, học sinh, sinh viên có thể nhận những chỉ dẫn từ giáo viên từ xa

Giải trí

Hệ thống di động 4G được sử dụng cho hệ thống tải nội dung, trò chơi và

âm nhạc/video Những trò chơi hình ảnh động có thể được truy cập ở bất cứ nơi nào trên hệ thống Những nội dung cực kì phong phú đa dạng về nhạc và phim trong hệ thống có thể tải ngay lập tức ở bất cứ nơi đâu, vào bất cứ thời gian nào

Truyền thông hình ảnh

Hệ thống di động 4G cũng được ứng dụng trong việc trao đổi thông tin giữa các điểm cách xa nhau Một đoạn phim của một sự kiện thể thao có thể được gửi bởi máy quay gắn trên một máy thu phát cầm tay và được gửi đi tức thời cho các thành viên trong gia đình ở nước ngoài hoặc ở xa

Thương mại di động

Hệ thống di động 4G được ứng dụng trong trao đổi và thoả thuận mua bán hàng hoá Bằng cách đơn giản là giữ thiết bị di động cầm tay theo tấm quảng cáo hoặc trên tạp chí, người sử dụng có thể thu được những thông tin liên quan về sản phẩm, từ đó có thể đặt hàng và thanh toán bằng tài khoản thông qua thiết bị

ví dụ như tải chương trình tivi trên các máy chủ đặt tại gia đình lên thiết bị di động và xem chúng khi đi ra ngoài, hoặc sử dụng thiết bị cầm tay di động để điều khiển Robot từ xa

Y tế và chăm sóc sức khoẻ

Công nghệ di động thế hệ thứ tư được sử dụng trong y tế và chăm sóc sức khoẻ Những dữ liệu về sức khoẻ có thể tự động gửi đến bệnh viện theo thời gian thực từ các thiết bị mang theo trên người của bệnh nhân, nhờ đó các bác sĩ

có thể thực hiện việc kiểm tra sức khoẻ hoặc xử lý tức thì các tình trạng khẩn cấp

Điều trị trong các tình trạng khẩn cấp

Phương tiện truyền thông di động được sử dụng cho cấp cứu khẩn cấp ngay sau khi tai nạn giao thông xảy ra Vị trí của vụ tai nạn sẽ được thông báo tự động bằng cách sử dụng thông tin định vị, khi đó các bác sĩ tại trung tâm y tế đưa ra các chỉ dẫn sơ cứu cho bệnh nhân thông qua việc quan sát bệnh nhân trên màn hình Các dữ liệu y tế cũng được truyền ngay lập tức đến các xe cứu thương hoặc bệnh viện thông qua mạng di động

Ứng dụng trong thảm họa thiên tai

Hệ thống di động đóng vai trò là thiết bị thông tin quan trọng trong trường hợp xảy ra thảm họa thiên tai, cho phép truyền đi hình ảnh thực trạng của các khu vực xảy ra thảm hoạ Do đó tại những nơi thảm họa không diễn ra, tất cả

lãnh đạo chính phủ, các nhà quản lý, các phương tiện truyền thông đại chúng và người dân nói chung có thể chia sẻ thông tin [15]

Các dịch vụ mà hệ thống di động 4G cung cấp có thể kể đến như sau [15,16,17]:

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế

Hình 2.1: Dịch vụ thông tin y tế

Trong đó:

+ Service charge (paid from insurance): phí dịch vụ (thanh toán từ bảo hiểm)

+ Access personal medical data: truy cập dữ liệu y tế cá nhân

+ Send personal medical data: gửi dữ liệu y tế cá nhân

+ Advice/Information/health analysis: Lời khuyên/Thông tin/phân tích tình trạng sức khỏe

+ Introduction to doctors, provision of adequate medicine: hướng dẫn từ bác sỹ, cung cấp thuốc thích hợp

+ Medical data storage center: trung tâm lưu trữ dữ liệu y tế

+ Personal medical data: dữ liệu y tế cá nhân

+ Hospital/drug store: bệnh viện/kho thuốc

Dịch vụ cung cấp thông tin y tế sẽ cung cấp cho khách hàng những thông tin chính xác và đầy đủ về tình trạng sức khỏe Khách hàng sẽ nhận được chỉ dẫn, đơn thuốc của bác sỹ khi có sự thay đổi về tình trạng sức khỏe từ trung tâm chăm sóc y tế trên thiết bị di động của mình Đồng thời khách hàng có thể truy cập thông tin về sức khỏe của mình trên thiết bị di động

Thậm chí trong dịch vụ này với công nghệ điều trị gen tiên tiến, khách hàng

có thể tải những thông tin về gen của họ ngay lập tức để có những biện pháp điều trị thích hợp [17]

Dịch vụ cung cấp nội dung tiên tiến

Đơn giản, người dùng cho biết tên của video (không nhất thiết phải chính xác, có thể mơ hồ cũng được) mà họ lựa chọn (chương trình ti vi đã phát, tin tức, kịch, điện ảnh, hoặc hoà nhạc …) thông qua yêu cầu bằng lời thoại, người sử dụng có thể xem chương trình video mình thích trên thiết bị di động đầu cuối ở bất cứ đâu, bất cứ thời gian nào

Nếu người dùng muốn xem phim ở rạp chiếu phim thì có thể đặt chỗ trước

và cũng có thể mua vé điện tử Những video cũng có thể được chiếu trên tàu, trên một thiết bị kính đeo mắt có khả năng hiển thị hình ảnh

Hình 2.2 Hệ thống cung cấp nội dung tiên tiến Trong đó:

+ Movie delivery: phân phát phim

+ Movie info search: tìm kiếm thông tin phim

+ Ambigous search by voice: tìm kiếm thông tin phim bằng thoại

+ Ticket purchase: thẻ dịch vụ

+ Content streaming delivery: cung cấp luồng nội dung

+ Real media content distribution by compact high-density disc, memory cards: phân phối nội dung bằng thẻ nhớ, đĩa nén mật độ cao

+ Movie distributor: nhà cung cấp phim

+ Content server: máy chủ nội dung

+ Service provider: nhà cung cấp dịch vụ

+ Speech analysis: khối phân tích thoại

+ Seach server: máy chủ tìm kiếm

+ Member DB: cơ sở dữ liệu thành viên

Hệ thống định vị

Hình 2.3 Hệ thống định vị

Trong đó: + Monthly charge: phí dịch vụ hàng tháng

+ Location info: thông tin vị trí + Vehicle info: thông tin xe cộ + Entertainment: giải trí

+ Control info: thông tin điều khiển + Emergency info: thông tin khẩn cấp + Logistics Info: thông tin hậu cần + Service provider: nhà cung cấp dịch vụ + Content provider: nhà cung cấp nội dung + Right holder: người giữ bản quyền

+ Content charge: phí nội dung Người sử dụng có thể truy cập các dịch vụ thông tin dưới đây từ bên trong một chiếc xe đang chuyển động Những thông tin này sẽ được cung cấp một cách hợp lý phụ thuộc thời gian, địa điểm và tính chất người sử dụng

- Dịch vụ thông tin định vị (dịch vụ định vị, chỉ dẫn tuyến đường, thông tin giao thông…)

- Dịch vụ thông tin xe cộ (thông tin xe ôtô, thông tin điều chỉnh động cơ xe

…)

- Dịch vụ giải trí (radio, chương trình truyền hình, v.v.)

- Dịch vụ điều khiển (điều khiển xe trong sự kiện động đất, tai nạn …)

- Dịch vụ khẩn cấp (tai nạn, ốm đau bất ngờ…)

Dịch vụ đặt hàng di động

Hình 2.4 Hệ thống đặt hàng di động

Trong đó:

+ Inquiry purchase application: yêu cầu mua ứng dụng

+ Product Info/Ads: thông tin sản phẩm/ quảng cáo

+ Product/Delivery charge: phí sản phẩm/phí phân phối

+ Commission: hoa hồng

+ Application info: thông tin ứng dụng

+ Product info: thông tin sản phẩm

+ Platform provider: nhà cung cấp nền tảng

+ Ad cost: chi phí quảng cáo

+ Server utilization fee: phí sử dụng server

di động của họ Việc sử dụng chứng thực bằng võng mạc giúp cho việc đặt mua