Giới thiệu về Thông tin di động

Như vậy, các dịch vụ khác cũng được cung cấp, bao gồm:  Dịch vụ thoại  Dịch vụ dữ liệu  Các dịch vụ bổ sung  SIM cho phép người dùng có thể truy cập vào tất cả các dịch vụ thuê bao ở

Chương 1: Giới thiệu về Thông tin di động

Nội dung

 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

 Xu thế phát triển của Thông tin di động

 Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào

 Tổng quan GSM

 Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G

 Hệ thống thông tin di động 4G LTE

Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

 Khai thác các chiều tín hiệu

 Hệ thống thông tin di động đầu tiên (1G)

Khai thác các chiều tín hiệu

Một chiều tín hiệu nữa sẽ được khai thác trong hệ thống 5G?

Hệ thống thông tin di động đầu tiên (1G)

 1G được giới thiệu những năm 1980

 Tốc độ dữ liệu tối đa 2.4kbps

 Chất lượng và dung lượng cao hơn

 Yêu cầu cường độ tín hiệu cao

 Cho phép dữ liệu phức hợp như Video

Hệ thống thông tin di động 2.5G

 2.5G được xem là công nghệ giữa 2G và 3G

 Có thể được xem là 2G kết hợp công nghệ GPRS

Hệ thống thông tin di động thứ 3 (3G)

 3G được giới thiệu vào những năm 2000

 Tốc độ dữ liệu 144kbps- 2Mbps.

 Điện thoại thông minh (smartphone) ra đời

 Hỗ trợ các dịch vụ nền web, audio và video

 Cho phép truyền thông nhanh hơn

 Khả năng gởi các Emails lớn

 Tốc độ truy cập web cao hơn, an toàn hơn

 Video Conferencing / 3D Gaming

 TV Streaming/ Mobile TV/ Phone Calls

 Băng rộng

Hệ thống thông tin di động 3.5G

 Là 3G kết hợp HSPA (High Speed Packet Access)

 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) và

HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) được áp

dụng năm 2009

 Sau đó Evolved High Speed Packet Access còn gọi

là HSPA+ được áp dụng vào năm 2010

 Cho phép tốc độ bít tối đa 337 Mbit/s downlink và  

34 Mbit/s uplink ở điều kiện lý tưởng. 

 G lobal Mobility Support

 I ntegrated Wireless Solution

 C ustomized Personal Services

 Nhu cầu về pin, tốc độ, dung lượng ngày càng cao

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

 Tốc độ dữ liệu đường lênvà đường xuống tối

đa 1Gbps

 Là giải pháp nhanh hơn và tốt hơn

 Hỗ trợ WWWW (Wireless World Wide Web)

 Yêu cầu bộ nhớ điện thoại lớn hơn

 Tốc độ kết nối nhanh

 Chất lượng các dịch vụ thời gian thực cao

 Internet of Things

Các chuẩn và các hệ thống thông tin di động

• Chuyển đổi băng tần – thay đổi phương pháp điều chế

• Tăng tốc độ truyền dữ liệu

• Cải thiện chất lượng cuộc gọi

• Nâng dung lượng mạng

• Bổ sung dịch vụ

Xu thế phát triển của Thông tin di động

 Dịch vụ đa môi trường

Mô hình hệ thống thông tin di động tế bào

Tổng quan GSM

 Kiến trúc cơ bản

 Đầu cuối di động MS (Mobile Station)

 Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) /nodeB

 Hệ thống điều khiển trạm thu phát gốc BSC (Base Station C

 Trung tâm chuyển mạch di động MSC/TSC

 Bộ ghi định vị chủ HLR

 Bộ ghi định vị khách VLR

 Trung tâm nhận thực AUC

Kiến trúc cơ bản

MSC OMC-R

Internet

IP GPRS Backbone

PSTN

B T S

B T S

MSC/ TSC

HLR/AUC

GGSN SGSN

S t ra f c

Kiến trúc cơ bản hệ thống thông tin di động trong hệ

thống GSM

BSC: Base Station Controller TRAU: Transcoder and Rate Adaptation Unit MSC: Mobile Switching Centre

TSC: Transit Switching Centre HLR: Home Location Register VLR: Visitor Location Register SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node PSTN: Public Switched Telephone Network PCU: Packet Control Unit

AuC: Authentication Centre

(only one station)

Đấu nối hình sao

Đầu cuối di động MS (Mobile Station)

 MS bao gồm các thiết bị vật lý như bộ thu phát vô tuyến, bộ

hiển thị, bộ xử lý tín hiệu số và thẻ SIM

 MS cung cấp giao diện vô tuyến cho người sử dụng trong mạng

GSM Như vậy, các dịch vụ khác cũng được cung cấp, bao gồm:

 Dịch vụ thoại

 Dịch vụ dữ liệu

 Các dịch vụ bổ sung

 SIM cho phép người dùng có thể truy cập vào tất cả các dịch vụ

thuê bao ở bất kể vị trí nào của thiết bị đầu cuối trong mạng

của nhà cung cấp dịch vụ

 MS+SIM=Thuê bao

Đầu cuối di động MS (Mobile Station)

 MS cung cấp cho người dùng dịch vụ SMS, cho phép người dùng chuyển đổi giữa thoại và

sử dụng dữ liệu, các dịch vụ nhắn tin bằng giọng nói

 MS cũng cung cấp các dịch vụ dữ liệu khác như:

 X.25 chuyển mạch gói thông qua kết nối quay số đồng bộ hoặc không đồng bộ với tốc độ khoảng 9,6 Kb / giây.

 Các dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS) sử dụng phương pháp truyền dữ liệu X.25 hoặc IP dựa trên tốc độ lên đến 115 Kbps.

 Dịch vụ dữ liệu chuyển mạch kênh với tốc độ tối đa 64 Kbps.

Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) /nodeB

 Chức năng : Tạo vùng phủ sóng di động.

 Nhiệm vụ:

 Thu/Phát tín hiệu vô tuyến

 Kết nối với BSC

 Điều khiển cuộc gọi.

 Cân bằng công suất máy đầu cuối.

 Quản lý thuê bao MS.

 Cung cấp dịch vụ.

 Bảo mật giao diện Um.

Mobile Station s

Vùng hở

Hệ thống điều khiển trạm thu phát gốc BSC

(Base Station Controller)

 BSC/RNC (Radio Network Controller): Hệ

thống điều khiển trạm gốc

 Chức năng: Điều khiển hoạt động trạm gốc.

 Nhiệm vụ :

 Quản lý lưu giữ cơ sở dữ liệu trạm gốc

 Đồng bộ, điều khiển chuyển mạch cuộc gọi

Hệ thống điều khiển trạm thu phát gốc BSC (Base Station Controller)

Packet data traffic

Trung tâm chuyển mạch di động MSC/TSC

(Mobile Switching Centre/Transit Switching Centre)

 Chức năng: Điều khiển kết nối cuộc gọi.

 Nhiệm vụ:

 Định tuyến, đồng bộ, tính cước, đánh số

 Quản lý thuê bao đa dịch vụ ISDN,

 Kết nối các hệ thống dịch vụ VAT, kết nối mạng ngoài.

 Phân loại : 

 Chuyển mạch kênh: MSC (Mobile Switching Centre).

 Chuyển mạch mềm MSS (Mobile Softswitch Solution).

 Tổng đài cổng: GMSC (Gateway MSC).

Bộ ghi định vị chủ HLR (Home Location Register)

 Chức năng: quản lý đăng ký thuê bao chủ.

 Nhiệm vụ:

 Lưu trữ số thuê bao toàn cầu IMSI

(International Mobile Subscriber Identity)

 Kiểm soát đăng nhập mạng,

 Phân Loại thuê bao: White-Black-Gray List

 Quản lý dịch vụ thuê bao: Trả trước- Trả sau.

Bộ ghi định vị khách VLR (Visitor Location Register)

Trung tâm nhận thực AUC (Authentication Centre)

 Chức năng: Cung cấp thông tin cho MSC/VLR để nhận thực

thuê bao và thiết lập thủ tục đường truyền vô tuyến giữa

mạng và các MS

 Nhiệm vụ: tạo thông tin cung cấp gồm bộ 3:

 1 Số ngẫu nhiên không thể dự đoán RAND (RANDom)

 2 SRES (Signed RESponse)

 3 Khóa mã hóa Kc (ciphering Key)

 Tại thời điểm đăng ký, thuê bao được gán khóa nhận thực

Ki

 Trong mạng: Ki được lưu trong AUC theo IMSI của thuê bao

 Trong MS: Ki và IMSI được lưu trong SIM

Thủ tục nhận thực AuC

 1 MSC/VLR phát RAND cho MS.

 2 MS tính SRES sử dụng RAND và Ki theo thuật toán A3

 3 MS tính Kc bằng cách sử dụng Ki và RAND theo thuật toán A8 Kc sau này sẽ được sử dụng để mã

hóa và giải mã trong MS.

 4 Chữ ký SRES được gởi ngược về MSC/VLR để tiến hành nhận thực Kiểm tra SRES phù hợp hay

không Nếu phù hợp thì thuê bao được phép truy cập mạng, nếu không thì thuê bao bị cấm truy cập.

 Nhận thực có thể được lựa chọn bởi nhà điều hành theo:

• Thời điểm đăng ký

• Thời điểm thiết lập cuộc gọi

• Thời điểm cập nhật vị trí

• Trước khi kích hoạt dịch vụ bổ sung và ngừng hoạt động

Thủ tục mã hóa  Một chuỗi mật mã được tạo ra bằng cách sử dụng

Kc và số khung của TDMA trong thuật toán mã hóa A5

 Mục đích: đảm bảo sự riêng tư liên quan đến tín hiệu và thông tin người dùng (thoại và dữ liệu)

 Để kiểm tra thủ tục mã hóa lệnh chế độ mã hoá thực tế (M: ciphering mode) được sử dụng như sau:

 1 M và Kc được gởi từ MSC/VLR đến BTS.

 2 M được BTS chuyển tiếp cho MS.

 3 M được mã hóa sử dụng Kc và số khung TDMA

theo thuật toán A5

 4 Thông điệp mã hóa được gởi cho BTS.

 5 M được giải mã trong BTS sử dụng Kc và số khung

TDMA theo thuật toán A5

 6 Thông điệp hoàn thành kiểu mã hóa được gởi về

MSC

Thủ tục định danh thiết bị EIR

 Equipment Identification Procedure

 EIR sử dụng định danh thiết bị IMEI để đảm bảo MS phù hợp

 1 MSC/VLR yêu cầu IMEI từ MS.

 2 MS gởi IMEI đến MSC.

 3 MSC/VLR gởi IMEI đến EIR.

 4 Khi nhận IMEI, EIR kiếm tra các danh sách:

 white list chứa tất cả các chuỗi số của mọi định danh thiết bị mà được phẩn bổ trong các hệ thống GSM toàn

cầu

 black list chứa tất cả các định danh thiết bị cấm truy cập

 gray list (trên cấp độ điều hành) chứa các thiết bị lỗi

 5 Kết quả gởi về MSC/VLR để quyết định cho phép/cấm thiết bị truy cập vào mạng.

Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G

 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

 Thiết bị người sử dụng

 Mạng truy cập vô tuyến UTRAN

 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNCNode B

 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R4

 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R5 và R6

Tổng quan hệ thống thông tin di động 3G

 UMTS = Universal Mobile Telecommunications System

 Là chuẩn IMT-2000 - một giải pháp triển khai sử dụng lại phần lớn mạng lõi GSM

 Sử dụng công nghệ truy nhập vô tuyến WCDMA

 WCDMA = Wideband Code Division Multiple Access

 Kỹ thuật truy nhập vô tuyến RAN (radio access network) trong chuẩn UMTS

Kiến trúc 3G WCDMA UMTS R3

 Một mạng UMTS bao gồm ba phần: UE (User Equipment), UTRAN (UMTS Terrestrial Radio

Network), CN (Core Network)

 UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module)

 UTRAN gồm các RNS (Radio Network System), RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller) và các nút B nối với nó

 Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment)

HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center), HLR (Home Location Register) và EIR (Equipment Identity Register)

Thiết bị người sử dụng

 UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng): là đầu cuối mạng UMTS của người sử dụng.

 Thiết bị đầu cuối TE:

 Hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA) - đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và thiết bị đầu cuối – giao diện tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh.

 USIM:

 Trong GSM: SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card.

 Trong UMTS: Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC (UMTS IC card )  cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh)

 Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng.

 USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao.

Mạng truy cập vô tuyến UTRAN

 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): liên kết giữa người sử dụng và CN

 UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện:

 Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh;

 Giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B.

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC

 RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng

 Là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN RNC được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến GPRS) và một đến miền chuyển mạch kênh (MSC)

 Bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật

và toàn vẹn được đặt vào RNC Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8

và f9

 Chuyển giao mềm: Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC) Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục

vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN Chỉ một SRNC là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur

 RNC điều khiển (CRNC: Control RNC): Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó

 Miền HE: lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác HE cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp

Node hỗ trợ GPRS dịch vụ

 SGSN (Serving GPRS Support Node) là nút chính của miền chuyển mạch gói

 Nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn

 Chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối PS của tất cả các thuê bao

 Lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao.

  Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm:

 IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế)

 Các nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động tạm thời gói)

 Các địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

  Số liệu vị trí lưu trên SGSN:

 Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area)

 Số VLR

 Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực

Node hỗ trợ GPRS cổng

 GGSN (Gateway GPRS Support Node) là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác

 Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN

 Cũng giống SGSN, GGSN lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí

  Số liệu thuê bao lưu trong GGSN:

 IMSI

 Các địa chỉ PDP

 Số liệu vị trí lưu trong GGSN:

 Địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến

  GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp.

Cổng biên BG

 BG (Border Gatway) là một cổng giữa miền PS của PLMN với các mạng khác

 Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài

Bộ ghi định vị khách VLR

 VLR (Visitor Location Register) là bản sao của HLR cho mạng phục vụ SN (Serving Network)

 Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây

 MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng.

 Số liệu sau đây được lưu trong VLR:

 IMSI

 TMSI (nếu có)

 LA hiện thời của thuê bao

 MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến

 Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp.

 Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN

và VLR/MSC.

MSC và GMSC

 MSC:

 MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng

 Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình

 Chức năng giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn

 Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC

 Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC.

 GMSC:

 GMSC có thể là một trong số các MSC

 GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS

 Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS

Môi trường chủ HE

 HE (Home Environment) lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác

 Cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp

 Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây

 Bao gồm HLR, AuC và EIR

Bộ ghi định vị chủ HLR

 HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động

 Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng

 Cơ sở dữ liệu gồm IMSI (International Mobile Subsscriber Identity), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói)

 Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác

 Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao

 Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng