Nghiên cứu bảo mật trong công nghệ 3g

Tuy là một bộ phận của trạm thu phát gốc nhưng cũng có thể đặt nó cách xa trạm thu phát gốc và thậm chí trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa trạm thu phát gốc và trung tâm chuyển mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

DƯƠNG ANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

DƯƠNG ANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn: “Nghiên cư ́ u bảo mật trong công nghê ̣ 3G” Tôi đã thực hiện đúng qui trình thực hiện trong thời gian làm luận văn

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này do chính tôi thực hiện, các số liệu, tài liệu

sử dụng trong bài khóa luận này được thu thập từ nguồn thực tế được tham khảo một số tài liệu tiếng Việt cũng như tiếng Anh

Trên đây là lời cam đoan của tôi, nếu tôi vi phạm tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ và khoa, viện đào tạo sau đại học

Hà Nội, ngày 12 tháng 5 năm 2017

Tác giả luận văn

DƯƠNG ANH ĐỨC

3GPP2 Third Generation Partnership

Project Dự án hội nhập thế hệ 3 thứ hai

A

AMR Adaptive Multirate Đa tốc độ thích nghi

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức tuyền không đồng

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BTS Base Transceiver station Trạm thu phát gốc

C

CDMA Code Division Multi Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CN Core Network Mạng lõi

CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh

CS-1,2,3,4 Coding Scheme 1,2,3,4 Sơ đồ mã hóa 1,2,3,4

D

DCS Digital Communications System Hệ thống thông tin số

DS Telacommunications System Chuỗi trải phổ trực tiếp

DSL Digital Subscriber Line Đương thuê bao số

GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

H

H.263

ITU standard fo video compression for video-conferencing and video-telephony application

Tiêu chuẩn ITU cho nén ảnh, ứng dụng cho hội nghị truyền hình và điện thoại truyền hình

HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường chú HTTP Hypertext transfer Protocol Thủ tục truyền siêu văn bản

I

IMAP Internet Message Accsess Protocol Thủ tục truy nhập tin nhắn qua

Internet IMS IP Multimedia Subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMT-2000 International Mobile

Telecommunications-2000

Viễn thông di động quốc tế

2000

IN Intelligent Network Mạng thông minh

IP Internet Protocol Giao thức Internet

IS-54 Interim Standard - 54 Tiêu chuẩn thông tin di động

TDMA cải tiến của Mỹ (do

ITU-R International Telecommunication

Union - Radio Sector

Liên hiệp viễ thông quốc tế -

Bộ phân vô tuyến

ITU-T

International Telecommunication Union - Telecommunication Standardzation Sector

Liên hiệp viễn thông quốc tế - Viện tiêu chuẩn viễn thông

MM Mobile Managerment Quản lý di động

MMS Multimedia Messaging Services Dịch vụ nhắn tin đa phương

tiện

MPEG Moving Picture Experts Group Tổ chức chuyên gia ảnh động

P

PCU Packet Control Unit Khối điều khiển gói dữ liệu PSC Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân PDC Personal Digital Cellular Hệ thống tổ óng số cá nhân PDCH Packet Data Channel Kênh số liệu gói

PDN Packet Data Network Mạng số liệu gói

PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói

PDSN Packet Data Service Node Nút dịch vụ số liệu gói

PS Packet Switched Chuyển mạch gói

PSDN Packet Switched Data Network Mạng số liệu chuyển mạch gói

PSPDN Packet Switched Public Data

Network

Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói

PSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

Q

QoS Quality of Servise Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift Keyging Điều chế dịch pha cầu phương

R

RA Routing Area Vùng định tuyến

RAN Radio Accsess Network Mạng truy nhập vô tuyến RBS Radio Base Station Trạm gốc vô tuyến

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RLP Radio Link Protocol Giao thức kết nối vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến

S

SGSN Serving GPRS Support Node Nút mạng hỗ trợ dịch vụ GPRS SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn

SMS-C Short Message Service Center Trung tâm dịch vụ tin nhắn

T

TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng

TCP/IP Transmission Control Protocol/

UI User Interface Giao diện người sử dụng

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VPN Vietual Private Network Mạng riêng ảo

X

XML Extensible Mark-up Language Ngôn ngữ đánh dấu có khả

năng mở rộng

W

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WAP Wireless Application Protocol Thủ tục ứng dụng vô tuyến

WCDMA Wideband Cosw Division Multiple

Accsess

Đa truy nhập băng rộng phân chia theo mã

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2

MỤC LỤC 10

DANH MỤC CÁC HÌNH 12

DANH MỤC CÁC BẢNG 13

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 15

1.1.Lịch sử phát triển 15

1.2.Mạng di động 16

1.3 Hệ thống thông tin di động toàn cầu 17

1.4.Tiêu chuẩn mạng di động 23

1.4.1 0G (Zero Generation) 23

1.4.2 1G (First Generation) 23

1.4.3 2G (Second Generation) 25

1.4.4 3G (Third Generation) 26

1.4.5 4G ( Fourth Generation) 27

1.4.6 5G (5th generation) 27

1.5 Kết luận chương 31

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THẾ HỆ THỨ BA 32

2.1 Giới thiệu 32

2.2.Những tiêu chuẩn công nghệ của hệ thống 3G 34

2.3 Kiến trúc của một hệ thống thông tin di động 3g 37

2.3.1 Kiến trúc tổng quát 37

2.3.2 Chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói 40

2.3.3 Chuyển mạch ATM và IP 42

2.4.Lưu lượng và dịch vụ 3g 43

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU BẢO MẬT 3G UMTS 46

3.1.Bảo mật trong GSM 46

3.1.1.Thuật toán A5/1 46

3.1.2.Thuật toán A5/2 50

3.2.Bảo mật trong 3G UMTS 52

3.2.1.Thuật toán Kasumi 52

3.2.1.1.Giới thiệu thuật toán Kasumi 52

3.2.1.2.Hàm bảo mật f8 65

3.2.1.3.Hàm toàn vẹn f9 66

3.2.1.4.Chương trình mô phỏng mã KASUMI 67

3.3.Cấu trúc bảo mật mạng UMTS 67

3.4.Nhận thực trong mạng UMTS 70

3.5 Kết luận chương 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mạng tế bào 16

Hình 1.2.Cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu[2] 17

Hình 2.1 Các công nghệ di động từ 1G tới 4G[3] 33

Hình 2.2 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi[4] 38

Hình 2.3.Cấu trúc của UTRAN[4] 39

Hình 2.4.Cấu trúc của một tế bào ATM 42

Hình 3.1.Mã luồng thuật toán A5/1[5] 47

Hình 3.2.Lược đồ thuật toán A5/2[6] 51

Hình 3.3.OUPUT L 8 ||R 8 [7] 55

Hình 3.4.Hàm FL[7] 57

Hình 3.5.Hàm FO[7] 58

Hình 3.6.Hàm FI[7] 59

Hình 3.7.Khóa con vòng[7] 65

Hình 3.8.Bảo mật hàm f8[8] 66

Hình3.9.Hàm toàn vẹn f9[8] 67

Hình 3.10 Tổng quan cấu trúc bảo mật mạng UMTS[10] 68

Hình 3.11 Nhận thực và tạo khóa UMTS 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1.So sánh một số tiêu chuẩn điện thoại di động 28 Bảng 1.2 So sánh chung về công nghệ 1G, 2G, 3G, 4G 30 Bảng 2.1.Tổng quan hệ thống IMT/2000 34

MỞ ĐẦU

Luận văn này chủ yếu là tìm hiểu bảo mật trong thông tin di động qua các giao thức đã được trình bày ở trên đề tài Nội dung chủ yếu là tìm kiếm các thông tin trong bảo mật 3G Tất cả đều nhằm mục đích nghiên cứu và nhân thực về thông tin

di động.Chúng đều đem lại mục đích là bảo mật được thông tin

Việc bảo mật và nhận thực thuê bao cho các giao thức trong mạng thông tin như mạng tổ ong số và Internet không dây Điều này giúp chúng ta xác định việc thực hiện việc nhận thực và cao hơn nữa là bảo mật trong thông tin di động Tất cả đều phục vụ mục đích tối đa cho việc bảo mật thông tin di động

Luận văn được chia thành 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Chương 2: Tổng quan về mạng thế hệ thứ 3

Chương 3: Nghiên cứu bảo mật 3G UMTS

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Nội đã giúp đỡ thực hiện luận văn này Đặc biệt là sự hướng

dẫn tận tình của thầy PGS.TS:Nguyễn Quốc Trung, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn, định

hướng, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

Năm 1960 các dịch vụ điện thoại di động bắt đầu xuất hiện, những hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng thấp Joel Engel và Richard Frenkiel cho phép việc tái sử dụng tần số cũ và hạn chế mất liên lạc khi di chuyển giữa các vùng phủ sóng, giúp tăng số lượng thuê bao đồng thời xây dựng ngành công nghiệp di động phát triển rực rỡ

Năm 1980 hệ thống điện thoại tổ ong sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện

Năm 1982 hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ra đời ở Châu Âu sử dung kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian

Năm 1985 công nghệ CDMA bắt đầu phát triển và phiên bản đầu tiên là CDMA IS_95A Để tăng dung lượng, tần số các hệ thống này đang được chuyển vùng 800 MHz - 900 Mhz sang 1,8 GHz - 1,9 GHz

Năm 1986 Hệ thống thông tin di động toàn cầu sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA băng hẹp được lựa chọn cho các dịch vụ viễn thông Châu Âu ở băng tần 900 Mhz

Năm 1988, một trong những năm quan trọng nhất trong sự phát triển điện

ngành công nghiệp này phát triển Một trong những đóng góp lớn nhất của nó là khi

nó đã giúp tạo ra công nghệ điện thoại đa truy nhập phân chia theo thời gian và trở thành phổ biến vào năm 1991

1.2.Mạng di động

Mạng tế bào là một mạng thông tin liên lạc, liên kết không dây Mạng này được phân bố trên các vùng đất được gọi là tế bào, phục vụ bởi ít nhất một trạm thu phát vị trí cố định, được biết đến như một trạm gốc Trạm gốc cung cấp cho các tế bào với vùng phủ sóng mạng mà có thể được sử dụng để truyền thoại, dữ liệu Một

tế bào có thể sử dụng một bộ tần số khác nhau từ các tế bào lân cận, để tránh nhiễu

và cung cấp chất lượng dịch vụ đảm bảo trong mỗi tế bào

Các mạng di động cung cấp một số tính năng: Dung lượng lớn, vì cùng một tần số có thể được sử dụng cho nhiều liên kết miễn là chúng trong các tế bào khác nhau.Thiết bị di động sử dụng ít điện năng và vùng phủ sóng lớn

Hình 1.1 mô tả cấu trúc của một mạng tế bào

Hình 1.1 Mạng tế bào

Để phân biệt các tín hiệu từ các máy phát khác nhau, đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA), và đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA) được phát

triển TDMA truyền và nhận các khe thời gian được sử dụng bởi người dùng khác nhau trong mỗi tế bào khác nhau.FDMA truyền và nhận tần số được sử dụng bởi người dùng khác nhau trong mỗi tế bào khác nhau Trong hệ thống xe taxi đơn giản, các lái xe taxi tự điều chỉnh đến một tần số của một tế bào được lựa chọn để có được một tín hiệu mạnh và để tránh nhiễu từ tín hiệu từ các tế bào khác

1.3 Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Hình 1.2 trình bày cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu trong đó các phần tử của mô hình được miêu tả ở phần dưới

Hình 1.2.Cấu trúc hệ thống thông tin di động toàn cầu[2]

GMSC: MSC cổng

AUC: quản lý thuê bao và trung tâm nhận thực

EIR: quản lý thiết bị di động

OSS: khai thác và bảo dưỡng mạng

Trạm di động: là thiết bị di động mà người sử dụng thường xuyên nhìn thấy của hệ thống Trạm di động có thể trong ôtô hoặc thiết bị cầm tay Ngoài chức năng

vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến, trạm di động còn cung cấp giao diện với người sử dụng

Các chức năng của trạm di động

- Thực hiện các chức năng không liên quan đến mạng di động

- Thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn

- Làm việc như một cổng nối thông thiết bị đầu cuối với đầu cuối di động Trạm thu phát gốc: trạm thu phát gốc gồm các thiết bị phát, thu, anten và xử lý tín hiệu cho giao diện vô tuyến Có thể coi trạm thu phát gốc là modem vô tuyến phức tạp có thêm một số các tính năng khác

Một bộ phận quan trọng của trạm thu phát gốc là

TRAU: khối chuyển đổi mã và tốc độ: là quá trình giải mã và mã hoá tiếng đặc thù riêng cho hệ thống di động được tiến hành ,ở đây cũng thực hiện thích ứng tốc độ trong trường hợp truyền số liệu Tuy là một bộ phận của trạm thu phát gốc nhưng cũng có thể đặt nó cách xa trạm thu phát gốc và thậm chí trong nhiều trường hợp nó được đặt giữa trạm thu phát gốc và trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động

Bộ điều khiển trạm gốc: có nhiệm vụ quản lý các giao diện vô tuyến qua các lệnh điều khiển từ xa của trạm thu phát gốc và trạm di động Các lệnh này chủ yếu

là các lệnh về giải phóng kênh vô tuyến và chuyển giao … Một phía bộ điều khiển trạm gốc được nối với trạm tuyền phát gốc còn phía kia được nối với trung tâm

chuyển mạch các dịch vụ di động Thực tế bộ điều khiển trạm gốc là một tổng đài với khả năng tính toán.Chức năng là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao

Một bộ điều khiển trạm gốc có thể quản lý hành chục trạm thu phát gốc Trạm thu phát gốc có thể kết hợp với bộ điều khiển trạm gốc vào một trạm gốc để hoạt động hiệu quả

Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động: thực hiện chức năng chính là chuyển mạch Chức năng của trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động thiết lập cuộc gọi đến người sử dụng mạng di động Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động giao tiếp với bộ điều khiển trạm gốc, và MSC còn giao tiếp với các mạng ngoài Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động giao tiếp với mạng ngoài gọi là MSC Gateway.Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý các bộ điều khiển trạm gốc

Bộ ghi định vị thường trú: Ngoài trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động mạng di động gồm cả những cơ sở dữ liệu

- Thông tin liên quan đến việc cung cấp dịch vụ viễn thông được lưu trữ ở HLR

- HLR chứa thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao

- HLR có khả năng quản lý hàng trăm thuê bao

- HLR có thể nhận dạng trung tâm nhận thực, quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép

Bộ ghi định vị tạm trú: là cơ sở dữ liệu thứ 2 trong mạng thông tin di động được nối với một hay nhiều trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động có nhiệm

vụ

- Lưu trữ tạm thời số liệu thuê bao

- VLR được liên kết với các chức năng của trung tâm chuyển mạch các dịch

GMSC giao tiếp với các mạng ngoài, thông qua giao tiếp này nó làm nhiệm vụ kết nối các mạng ngoài với mạng thông tin di động GMSC cũng có giao diện số 7

để có thể tương tác với các phần tử của mạng di động Không phải GMSC đứng riêng mà nó thường được kết hợp với trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động Khai thác: cho phép nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của mạng như: tải hệ thống, số lượng chuyển giao Do đó nhà khai thác có thể giám sát toàn bộ chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng và có thể xử lý sự cố đúng lúc Khai thác thay đổi cấu hình giảm vấn đề xuất hiện ở thời điểm hiện thời tăng lưu lượng và tăng vùng phủ

Bảo dưỡng phát hiện ,định vị và sửa chữa các sự cố quan hệ trực tiếp đến khai thác Thiết bị di động có thể tự phát hiện sự cố hay dự báo sự cố qua tự kiểm tra Giảm sự cố được thực hiện từ người khai thác bằng phương pháp điều khiển từ xa Khai thác và bảo dưỡng được xây dựng trên nguyên lý mạng quản lý viễn thông Hệ thống khai thác và bảo dưỡng nối với các phần tử của mạng viễn thông như trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động,bộ ghi định vị tạm trú, các phần tử của mạng khác trừ trạm thu phát gốc vì truy nhập vào trạm thu phát gốc chắc chắn thực hiện qua bộ điều khiển trạm gốc Nó có thể được nối đến một máy tính giao tiếp giữa người và máy

Quản lý thuê bao: gồm các hoạt động quản lý và đăng ký thuê bao Chức năng gồm:

- Nhập thuê bao và xoá thuê bao ra khỏi mạng

- Tính cước cuộc gọi

Trung tâm nhận thưc: quản lý các thông tin nhận thực và mật mã liên quan đến thuê bao dựa trên khoá mật Trung tâm nhận được đặt trong bộ ghi định vị thường trú hoặc trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động hoặc độc lập cả hai Nó được lưu trữ vĩnh viễn và bí mật trong bộ nhớ trạm di động

Quản lý thiết bị di động được thực hiện bởi bộ đăng ký nhận dạng thiết bị Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị lưu trữ tất cả dữ liệu liên hệ với trạm di động Bộ đăng

ký nhận dạng thiết bị nối đến trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động thông qua đường báo hiệu để kiểm tra thiết bị có được phép hoạt động hay không Một thiết bị không được phép hoạt động chắc chắn bị cấm

Bộ xử lý bản tin số liệu: sử dụng thu nhập các dữ liệu cước

Các giao diện của hệ thống thông tin di động toàn cầu bao gồm:

- Giao diện O là giao diện với các hệ thống viễn thông khác

- Giao diện R là giao diện bộ thích ứng đầu cuối và thiết bị đầu cuối

- Giao diện D là giao diện giữa thanh ghi định vị thường trú và thanh ghi định

vị tạm trú

- Giao diện Pi là giao diện giữa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động và mạng chuyển mạch gói

- Giao diện S là giao diện giữa mạng số tích hợp đa dịch vụ và thiết bị đầu cuối

- Giao diện Um là giao diện vô tuyến giữa trạm gốc và trạm di động

- Giao diện B là giao diện giữa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động và thanh ghi định vị thường trú

- Giao diện C là giao diện giữa trạm di động và thanh ghi định vị thường trú

- Giao diện W là giao diện giữa mạng điện thoại chuyển mạch công cộng với thiết bị kết nối dữ liệu

- Giao diện X là giao diện giữa trung tâm chuyên mạch các dịch vụ di động và trung tâm nhận thực

- Giao diện Di là giao diện giữa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động và mạng số tích hợp đa dịch vụ

- Giao diện E là giao diện giữa báo hiệu, lưu lượng và tổng đài của mạng di động

- Giao diện F là giao diện giữa trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động và quản lý thiết bị di động

- Giao diện G là giao diện được dùng lúc cần thông tin giữa các thanh ghi định

1.4.Tiêu chuẩn mạng di động

1.4.1 0G (Zero Generation)

Về cơ bản, 0g biết đến như truyền vô tuyến di động cho phép hai đường truyền sử dụng tín hiệu tương tự Công nghệ này đã được phát triển trong năm

1945 Khi nó được giới thiệu dịch vụ điện thoại di động không chính thức phân loại

vì không hỗ trợ tự động thay đổi các kênh tần số trong các cuộc gọi cho phép người

sử dụng di chuyển từ một cell này tới cell khác tính năng đó được gọi là chuyển giao

Các hệ thống điện thoại di động sớm có thể được phân biệt với các hệ thống điện thoại không dây khép kín trước đó trong đó đã có sẵn như một dịch vụ thương mại là một phần của mạng điện thoại chuyển mạch công cộng có số điện thoại riêng chứ không phải là một phần của một mạng khép kín như hệ thống vô tuyến của cảnh sát hoặc hệ thống điều phối xe taxi

Điện thoại di động thường được gắn trong xe hơi hoặc xe tải thông thường các máy thu phát (transmitter-receiver) được gắn vào cốp xe và gắn liền với các

"đầu" (quay số, hiển thị và thiết bị cầm tay) gắn gần ghế tài xế

Một số ví dụ về các công nghệ như:

- Motorola và Bell sử dụng hệ thống điện thoại di động thương mại đầu tiên

để vận hành MTS dịch vụ điện thoại di động thương mại đầu tiên tại Mỹ là các dịch

vụ của các công ty điện thoại hữu tuyến

- A-Netz đã đưa ra vào năm 1952 tại Tây Đức là mạng điện thoại di động thương mại công cộng đầu tiên

- Hệ thống tự động đầu tiên IMTS của Bell ra đời trong năm 1962

1.4.2 1G (First Generation)

Biết đến là thế hệ đầu tiên của công nghệ điện thoại không dây cơ bản dựa

1980 Khi một thiết bị di động gửi những sóng đến một trạm gốc nơi được xử lý để xác định điểm đến tiếp theo của tín hiệu Một khi các điểm đến được xác định tín hiệu được tái tạo một cách chính xác vào dạng sóng ban đầu của nó bởi các trạm gốc Các tín hiệu tương tự nhận bởi người dùng cuối có thể gần giống với truyền bản gốc nhưng hiếm khi lặp lại nó Những công nghệ này cũng hỗ trợ gửi tin nhắn văn bản Nó cũng cung cấp truyền dữ liệu với tốc độ cao nhất là 14.4kbps có nghĩa

là trên dưới 1kbps khi sử dụng bình thường Công nghệ này được sử dụng bởi điện thoại di động thế hệ đầu tiên 1G được điều chế với tần số cao, điển hình là 150 MHz trở lên Các tiêu chuẩn cùng với 1G là họ AMPS (AMPS, TACS, ETACS), NMT, HICAP, Mobitex và DataTAC

Dịch vụ điện thoại di động nâng cao (AMPS) được giới thiệu vào năm 1983 AMPS vẫn là công nghệ di động được sử dụng rộng rãi nhất tại Bắc Mỹ mặc dù nó hiếm khi được sử dụng như là một tiêu chuẩn thông tin liên lạc không dây độc lập AMPS chủ yếu được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng mạng di động thông qua việc sử dụng các tín hiệu tương tự để bao gồm những lĩnh vực không hỗ trợ các hệ thống truyền thông kỹ thuật số gần đây AMPS cũng được xem như là một bản sao lưu hoặc hệ thống hỗ trợ cho các mạng truyền thông kỹ thuật số trong trường hợp

có sự cố hệ thống Người dùng có thể giao tiếp với những người dùng khác chỉ khi người dùng điện thoại di động vẫn còn trong một cell cụ thể Nếu một người sử dụng di chuyển đến một khu vực cell khác các cuộc gọi thường mất liên lạc Người dùng thường phải gọi lại hoặc kết nối lại với các trạm gốc trong khu vực cell mới AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom

2000 tại Pháp; RTMI tại Ý

NMT được dựa trên công nghệ tương tự 1G và hai biến thể tồn tại: NMT-450

và NMT-900 Các con số cho thấy các dải tần số sử dụng NMT-900 đã được giới thiệu vào năm 1986 bởi vì nó mang nhiều kênh hơn so với trước đó NMT-450

1.4.3 2G (Second Generation)

Mạng thế hệ thứ hai đã được đưa ra thị trường trên chuẩn GSM ở Phần Lan bởi Radiolinja năm 1991 2G có ba lợi ích hơn mạng tiền nhiệm là: cuộc trò chuyện điện thoại mã hóa kỹ thuật số, hệ thống 2G hiệu quả đáng kể hơn trên quang phổ cho phép cho mức độ thâm nhập ( xuyên qua) điện thoại di động lớn hơn nhiều và 2G giới thiệu các dịch vụ dữ liệu cho điện thoại di động bắt đầu với tin nhắn văn bản SMS

Sau khi 2G đã được đưa ra các hệ thống điện thoại di động trước đây được gọi là 1G Trong khi tín hiệu vô tuyến trên mạng 1G là tương tự thì trên các mạng 2G là kỹ thuật số cả hai hệ thống sử dụng tín hiệu kỹ thuật số để kết nối các tháp vô tuyến tới phần còn lại của hệ thống điện thoại

Công nghệ này được sử dụng dịch vụ chuyển mạch 2G có thể được chia thành hai tiêu chuẩn công nghệ là TDMA và CDMA tùy thuộc vào loại ghép kênh được sử dụng Đối với TDMA, các tiêu chuẩn là GSM, PDC, iDEN và IS-136 hay còn được gọi là D-AMPS Và CDMA hiện nay là IS-95 hoặc CdmaOne

Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở

hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA Bên cạnh đó một vài giao thức chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s) nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự

EDGE là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS được chuẩn hóa bởi 3GPP - cho phép truyền dự liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s dành cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm, 144kbit/s cho người dùng di chuyển với tốc độ cao Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truyền Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung

mạng GPRS.Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như là công nghệ 2.75G

1.4.4 3G (Third Generation)

Là thế hệ truyền thông di động thứ ba nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips )

Công nghệ 3G được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU) Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới nhưng trên thực tế trên thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt:

- UMTS (W-CDMA): (Universal Mobile Telecommunication System) dựa

trên công nghệ truy cập vô tuyến W-CDMA là giải pháp nói chung thích hợp với các nhà khai thác dịch vụ di động sử dung GSM, UMTS được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE UMTS tập trung chủ yếu ở châu Âu và một phần châu Á (trong đó có Việt Nam)

- CDMA 2000: Là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95 Các đề

xuất của CDMA2000 được đưa ra bàn thảo và áp dụng bên ngoài khuôn khổ GSM tại Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc CDMA 2000 cung cấp tốc độ dữ liêu từ 144 kbit/s tới trên 3 Mbit/s Chuẩn này đã được chấp nhận bởi ITU CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2 – một tổ chức độc lập với 3GPP và đã có nhiều công nghệ truyền thông khác nhau được sử dụng trong CDMA2000 bao gồm 1xRTT, CDMA2000-1xEV-

DO và 1xEV-DV

- TD-SCDMA: Được phát triển riêng tại Trung Quốc bởi công ty Datang và

Siemens

- Wideband CDMA: Giao thức này được dùng trong một mạng diện rộng

WAN tốc độ tối đa là 384 kbit/s Hỗ trợ tốc độ giữa 384 kbit/s và 2 Mbit/s Khi nó dùng trong một mạng cục bộ LAN tốc độ tối đa chỉ là 1,8 Mbit/s

3.5G: Hiện thị dịch vụ nâng cao của 3G là HSDPA, bạn có thể dùng các dịch

vụ nâng cao của 3G như download tốc độ cao 7.2Mbps, 14.4Mbps hoặc có thể đạt tối đa 21 Mbps nhưng trung bình khoảng 3Mbps vì nhiều người cùng chia sẻ nguồn chung các dịch vụ có thể được sử dụng như

- Video streaming chất lượng cao

- Bảo mật cá nhân

- Điều khiển các thiết bị từ xa

- Các ứng dụng banking

1.4.5 4G ( Fourth Generation)

Hay còn có thể viết là 4G, là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ

tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s

Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao

Cách đây không lâu thì một nhóm gồm 26 công ty trong đó có Vodafone (Anh), Siemens (Đức), Alcatel (Pháp), NEC và DoCoMo (Nhật Bản) đã ký thỏa thuận cùng nhau phát triển một tiêu chí cao cấp cho ĐTDĐ một thế hệ thứ 4 trong kết nối di động – đó chính là nền tảng cho kết nối 4G sắp tới đây

Mạng điện thoại 3G hiện tại của DoCoMo có tốc độ tải là 384 Kbit/s và truyền dữ liệu lên với tốc độ 129 Kbit/s NTT DoCoMo cũng hy vọng trong vòng

2010 - 2012 sẽ có thể đưa mạng 4G vào kinh doanh

1.4.6 5G (5th generation)

Là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G Theo

mạng 4G hiện nay giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn Lúc đó xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng

Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới IoT, trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và

từ môi trường Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo

Tuy nhiên, để cung cấp 5G các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ

sở mạng lưới (gọi là trạm gốc) Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn

Một số điểm 5G

- Tốc độ dữ liệu hàng chục megabits mỗi giây cho hàng chục ngàn người sử dụng

- 1 gigabit mỗi giây đồng thời cho nhiều người trên cùng một văn phòng

- Bảo hiểm được cải thiện

- Tín hiệu nâng cao

- Độ trễ giảm đáng kể so với LTE

Bảng 1.1.So sánh một số tiêu chuẩn điện thoại di động

IS-2000 (CD

MA 2000)

CDMA

W-CDMA CDMA OFDMA

số nước

châu

Âu khác

Thế giới, tất

cả các nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc

tốt

do tần

số thấp

Phủ sóng tốt trong nhà ở 850/900 MHz Có thể lặp

Giới hạn

35 km

Phủ sóng trong nhà cell nhỏ

và yếu hơn với

2100 MHz;

kích thước cell không giới hạn, công suất phát thấp cho phép các

kích thước cell không giới hạn, công suất phát thấp cho phép các cell lớn

0.2 MHz = 8 khe thời gian

Mỗi khe thời gian có thể chứa đến 2 cuộc gọi (4 cuộc gọi với VAMOS)

5 MHz =

2 Mbit/s

42Mbit/s cho HSPA+

Mỗi cuộc gọi sử dụng 1.8-

12 kbit/s tùy chất lượng chọn hoặc chất lượng âm thanh

Yếu hơn CDMA

2000

1.228 MHz = 3Mbit/s

Không (Chỉ

dữ liệu)

Âm thanh có thể VoLTE

Ta cùng nhau so sánh về năm bắt đầu, dải dữ liệu, công nghệ, dịch vụ, ghép kênh, chuyển mạch, mạng lõi, chuyển giao để thấy rõ hơn về các công nghệ chúng

ta đã nghiên cứu

Bảng 1.2 So sánh chung về công nghệ 1G, 2G, 3G, 4G

Công nghệ 1G 2G 2.5G 3G 4G

Năm thiết kế 1970 1980 1985 1990 2000

Năm triển khai 1984 1991 1999 2002 2010

Dịch vụ - Thoại

tương tự

- Dữ liệu đồng bộ 9,6kbps

- Thoại số

- Tin nhắn ngắn

- Dung lượng cao hơn

- Dữ liệu đóng gói

- Dung lượng cao hơn

- Dữ liệu băng thông rộng tới 2Mbps

- Dung lượng cao hơn

- Hoàn toàn hướng IP

- Dữ liệu

đa phương tiện

Tiêu chuẩn AMPS

TACSNMT

TDMACDMAGSMPDC

GPRSEDGE1xRTT

WCDMACDMA2000

Tiêu chuẩn đơn

Dữ liệu 1,9 kbps 14,4 kbps 384 kbps 2 Mbps 200 MbpsGhép kênh FDMA TDMA

CDMA

TDMACDMA

đã được phê duyệt bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế và sẽ được đưa vào hoạt động trong những năm đầu của thế kỷ 21 với những ưu điểm:

- Truy cập Internet tốc độ cao

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện tại

- Linh hoạt

CDMA2000 sẽ là sự phát triển của các hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA thế hệ thứ hai: IS-95

W-CDMA là sự phát triển của thế hệ tiếp theo điện thoại di động hệ thống 2

sử dụng công nghệ TDMA như GSM, PDC, IS-136 Đó là sự phát triển của GSM

để cung cấp khả năng cho thế hệ 3 W-CDMA sử dụng công nghệ DS-CDMA và mạng băng thông rộng được phát triển phát triển từ GSM và GPRS sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số và ghép kênh phân chia theo thời gian.Cả hai giải pháp này được sử dụng phương pháp (DS-CDMA) Các giải pháp đầu tiên được triển khai rộng rãi hơn, và các giải pháp thứ 2 được triển khai trong các tế bào nhỏ

Các công nghệ di động từ 1G đến 4G

Hình 2.1 trình bày các bước phát triển tiến lên 4 G của 3GPP thời gian bắt đầu từ 1985 đến hiện nay đang triển khai 4G

Hình 2.1 Các công nghệ di động từ 1G tới 4G[3]

AMPS: Hệ thống điện thoại di động tiên tiến

TACS: Hệ thống thông tin truy nhập tổng

GSM: Hệ thống thông tin di động toàn cầu

WCDMA: Đa truy cập phân mã băng rộng

EVDO: Chỉ chuyển hóa dữ liệu

IMT: Liên minh Viễn thông Quốc tế

IEEE: Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

Wifi gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi là kết nối không thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và các thiết bị điện tử tiêu dùng hiện nay

WiMAX là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây khoảng cách lớn

LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối và nó được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 nhưng bản chất LTE mới chỉ được như 3,9G.

2.2.Những tiêu chuẩn công nghệ của hệ thống 3G

UMTS W-CDMA IMT-DS: CDMA trải phổ dãy

trực tiếp, hay UTRA FDD hoặc WCDMA

IMT-TC: CDMA TDD, hay UTRA TDD là hệ thống UTRA

sử dụng phương pháp song công phân chia theo thời gian

CDMA TDD

(IMT-TC)

TD-CDMATD-SCDMA

FDMA/TDMA

(IMT-FT)

DECT Tiêu chuẩn này dành cho các hệ

thống thiết bị điện thoại số tầm ngắn ở châu Âu

IP-OFDMA WIMAX Tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho

việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn như đã nói ở phần trên

Khuyến nghị ITU-R M.1457 đưa ra 6 tiêu chuẩn công nghệ cho giao diện truy nhập vô tuyến của thành phần mặt đất của các hệ thống IMT-2000 bao gồm:

- IMT-2000 CDMA Direct Spread (WCDMA)

- IMT-2000 CDMA Đa sóng mang (hệ thống IS-95 hay cdmaOne)

đề triển khai lâu dài Wimax đang được khá nhiều các công ty tham gia phát triển điển hình một số công ty lớn về lĩnh vực viễn thông trên thế giới như Mortorola

c IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp

Công nghệ IMT-2000 CDMA trải phổ trực tiếp có tên gọi thương mại là WCDMA, được chuẩn hoá bởi 3GPP Dựa trên công ghệ WCDMA hiện có hai loại

hệ thống là FOMA đang triển khai ở Nhật và UMTS triển khai đầu tiên ở Châu Âu, sau đó lan ra toàn thế giới

Đặc điểm chủ yếu của UMTS:

- Tương thích ngược với hệ thống GSM

- Tốc độ chip 3,84 Mbps

- Hoạt động không đồng bộ giữa các tế bào

- Truyền và nhận đa mã

- Điều chỉnh công suất dựa trên tỷ số SNR

- Có thể tăng dung lượng mạng và vùng phủ sóng bằng cách áp dụng kỹ thuật anten thông minh nhưng chỉ áp dụng cho phiên bản HSPA từ Release 8 về sau

- Hỗ trợ nhiều cách chuyển giao giữa các tê bào

Nhược điểm của UMTS:

- Chuyển giao cuộc gọi giữa các thuê bao chỉ thực hiện được theo chiều từ 3G UMTS sang 2G GSM mà chưa thực hiện được theo chiều đảo lại

- Tần số cao hơn mạng GSM do đó lượng trạm truyền phát gôc sẽ nhiều hơn

do đó thời gian xây dựng lâu hơn và chi phí cao hơn mạng GSM

- Để cung cấp được dịch vụ Video theo yêu cầu các trạm BTS phải đặt xa nhau khoảng 1 đến1,5km, điều đó có thể thực hiện được ở khu vực đô thị nhưng sẽ

là kém kinh tế ở khu vực nông thôn

d IMT-2000 CDMA đa sóng mang

IMT-2000 CDMA đa sóng mang còn được gọi là IMT-MC hay CDMA2000 là công nghệ phát triển lên 3G từ họ CDMAOne bởi 3GPP2 Công nghệ này cạnh tranh với công nghệ WCDMA ở thị 3G

CDMA2000 có 4 phiên bản CDMA2000-1x, CDMA2000-3x, CDMA2000 EV-DO, CDMA2000 EV-DV CDMA2000 sử dụng nhiều cặp sóng mang có độ rộng kênh 1,25 MHz Phiên bản đầu tiên CDMA2000 1x sử dụng 1 cặp kênh vô tuyến 1,25 MHz để chuyển tải 128 kênh lưu lượng, cung cấp tốc độ tải xuống 144 kb/s Nhiều người coi nó là đại diện của mạng 2,5G mặc dù CDMA2000 1x được

e IMT-2000 CDMA TDD

Họ công nghệ CDMA TDD bao gồm TD-CDMA và TD-SCDMA trong đó công nghệ TD-SCDMA do Trung Quốc nghiên cứu và phát triển nhằm tránh phải trả một khoản phí bản quyền không nhỏ cho các sáng chế của các công ty phương Tây đồng thời làm thúc đẩy ngành công nghiệp điện tử viễn thông Trung Quốc phát triển

f IMT-2000 TDMA Đơn sóng mang

Công nghệ TDMA đơn sóng mang còn được gọi là WUC-136 được phát triển từ tiêu chuẩn IS-136 TDMA Nó sử dụng các kênh có độ rộng 30 KHz, 200 KHz và 1,6 MHz

2.3 Kiến trúc của một hệ thống thông tin di động 3g

2.3.1 Kiến trúc tổng quát

3G ban đầu là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh để truyền các gói dữ liệu và thoại Các trung tâm chuyển mạch gói sử dụng công nghệ ATM là công nghệ chuyển mạch gói tương thích với mọi loại hình dịch

vụ có sẵn Nó được dùng trong cả mạng truy nhập và mạng lõi Dữ liệu gửi chia thành các gói có độ dài 53 bytes, được gọi là một tế bào

Trên đường phát triển đến mạng toàn giao thức internet, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch gói Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian cuối cùng sẽ được truyền trên cùng một môi trường giao thức internet bằng chuyển mạch gói 3G cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh như âm thanh, video và các dịch vụ chuyển mạch gói dành để truy nhập internet

Hình 2.2 Kiến trúc tổng quát của một mạng di động kết hợp cả CS và PS trong

RNC: Bộ điều khiển thông tin thế hệ thứ 3

Chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói được thể hiện bằng một nhóm các đơn

vị chức năng logic, thực tế các chức năng này được đặt vào các thiết bị và các node vật lý Có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS và chức năng chuyển mạch gói trong một nút duy nhất để được một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn từ lưu lượng tiếng đến lưu lượng số liệu lớn

Hệ thống thông tin di động toàn cầu có thể sử dụng hai kiểu mạng truy nhập

vô tuyến