Đồ án Công nghệ 3G và vấn đề bảo mật - Ngô Thị Phương Hoa

91 trang huongle 150

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Công nghệ 3G và vấn đề bảo mật - Ngô Thị Phương Hoa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_cong_nghe_3g_va_van_de_bao_mat_ngo_thi_phuong_hoa.pdf

Nội dung text: Đồ án Công nghệ 3G và vấn đề bảo mật - Ngô Thị Phương Hoa

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 3 1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4 1.3. CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG 4 1.4. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT(1G) 5 1.5. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI(2G) 6 1.5.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) 6 1.5.2. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 6 1.5.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G-GPRS 7 1.6. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA (3G) 8 1.7. TỔNG KẾT MỘT SỐ NÉT CHÍNH CỦA CÁC NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG TỪ THẾ HỆ 1 ĐẾN THẾ HỆ 3 10 Chƣơng 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 11 2.1. MỞ ĐẦU 11 2.1.1. Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA. 12 2.1.2. Hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000. 13 2.1.3. Công nghệ GPRS 15 2.1.4. Công nghệ EDGE 17 2.1.5. Công nghệ CDMA 20001X 19 2.1.6. Tổng kết. 20 2.2. CÔNG NGHỆ CDMA 2000 21 2.2.1. Nguyên lý CDMA 21 2.2.2. Điều khiển công suất CDMA 27 2.2.4. Máy thu Rake 30 2.2.5. Tổ chức kênh trong CDMA2000 30 2.2.6. Kỹ thuật trải phổ và mã trải phổ 39 2.2.7. Kiến trúc mạng CDMA 2000 42 2.3. KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT MẠNG 3G 44 Chƣơng 3. BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G 46 3.1. AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 46 3.1.1. Tạo lập môi trƣờng an ninh 46 3.1.2. Các đe dọa an ninh 47 3.1.3. Các công nghệ an ninh 49
3.1.4. Mô hình an ninh tổng quát của một hệ thống thông tin di động 61 3.1.5. Nhận thực thuê bao GSM 62 3.1.6. Mật mã hóa ở GSM 63 3.1.7. Các hạn chế trong an ninh GSM 63 3.2. Giải pháp an ninh trong 3G UMTS 64 3.2.1. Mô hình kiến trúc an ninh 3G UMTS 64 3.2.2. Các hàm mật mã 66 3.2.3. Các thông số nhận thực 75 3.2.4. Mô hình an ninh cho giao diện vô tuyến 3G UMTS 76 3.2.5. Nhận thực và thỏa thuận khóa AKA 81 3.2.6. Thủ tục đồng bộ lại AK 83 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Các kiểu hoạt động của MS trong GPRS 8 Bảng 2. Những nét chính của thông tin di động từ thế hệ 1 đến thế hệ 3 10 Bảng3. Bảng ký hiệu kênh và chức năng của kênh vật lý 31 Bảng 4. Các hàm mật mã. 67 Bảng 5. Bảng kích cỡ các thông số nhận thực 76
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến thế hệ 3 11 Hình 2.2. Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh WCDMA 12 Hình 2.3. Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA2000 13 Hình 2.4. Kiến trúc mạng GPRS 16 Hình 2.5. Giao diện Gb mở kết nối PCU với SGSN 17 Hình 2.6. Các kênh vật lý đường xuống 32 Hình 2.7. Các kênh vật lý đường lên 36 Hình 2.8. Sơ đồ kiến trúc mạng CDMA 2000 42 Hình 2.9. Cấu trúc chung mạng3G 45 Hình 3.1. Minh họa cơ chế cơ sở của mật mã bằng khóa duy nhất. 51 Hình 3.2. Quá trình sử dụng tóm tắt bản tin để cung cấp các chữ ký điện tử 55 Hình 3.3. Nhận thực bằng chữ ký điện tử 58 Hình 3.4. Phương pháp nhận thực sử dụng MAC 60 Hình 3.5. Kiến trúc an ninh tổng quát của một hệ thống thông tin di động 61 hình 3.6. Quá trình mật mã hóa và giải mật mã hóa bằng hàm f8 68 Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán hàm f9 70 Hình 3.8. Quy trình tạo các AC trong AuC 72 Hình 3.9. Quy trình tạo các thông số trong USIM 72 Hình 3.10. Tạo các AuTS trong USIM 73 Hình 3.11. Thủ tục đồng bộ tại AuCc 74 Hình 3.12. Mô hình an ninh cho giao diện vô tuyến 3G UMTS 77 Hình 3.13.: Nhận thực người sử dụng tại VLR/SGSN 78 Hình 3.14. Nhận thực tại mạng USIM 79 Hình 3.15.: Bộ mật mã luồng khóa trong UMTS 79 Hình 3.16. Nhận thực toàn vẹn bản tin. 80 Hình 3.17. Tổng quan quá trình nhận thực và thỏa thuận khóa AKA 82 Hình 3.18. Thủ tục đồng bộ lại 83
LỜI NÓI ĐẦU Ở Việt Nam trong những năm gần đây, ngành công nghệ viễn thông đã có những bƣớc phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến và di động. Sự phát triển của công nghệ mới kéo theo rất nhiều dịch vụ tiện ích ra đời đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong đó phải kể đến các dịch vụ thông tin di động. Điện thoại di động giờ không chỉ dùng để nghe gọi nhƣ trƣớc, mà nó đã trở thành một thiết bị di động với đầy đủ các tính năng để phục vụ mọi nhu cầu của con ngƣời. Bằng chiếc điện thoại di động của mình ngƣời sử dụng có thể gửi các bản tin, nhạc chuông, logo, hình ảnh, cho ngƣời khác, truy cập dữ liệu phục vụ việc học hành. Ngoài ra, ngƣời dùng có thể tra cứu thông tin thị trƣờng chứng khoán, thời tiết, chƣơng trình truyền hình ở mọi nơi, mọi thời điểm, với tốc độ cao không thua kém gì các mạng có dây. Điều này tạo những chuyển biến tích cực trong đời sống kinh tế xã hội trên toàn thế giới, thay đổi cách sống con ngƣời. Cùng với sự phát triển của thông tin di động mang lại nhiều lợi ích cho xã hội thì những nguy cơ và thách thức đối với các nhà cung cấp dịch vụ cũng tăng. Thông tin của ngƣời dùng truyền trong môi trƣờng di động có thể bị tấn công hay bị nghe trộm bởi ngƣời khác, các dịch vụ của nhà cung cấp có thể bị đánh cắp hay bị phá hoại. Điều này gây thiệt hại lớn cả về kinh tế và chất lƣợng dịch vụ cho cả ngƣời dùng lẫn nhà cung cấp dịch vụ. Những thách thức này đặt ra các yêu cầu cho các nhà cung cấp dịch vụ về vấn đề AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG để bảo vệ quyền lợi của ngƣời dùng và lợi ích của chính bản thân các nhà cung cấp. Với sự phát triển của thông tin và công nghệ máy tính ngƣời ta đã đƣa ra các giải pháp về AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG khác nhau. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống thông tin di động tổ ong có rất ít các phƣơnng pháp an ninh bảo vệ những ngƣời dùng và khai thác hệ thống. Hệ thống thế hệ thứ hai nhìn chung đã thực hiện điều này tốt hơn nhiều, và bảo vệ đƣợc tính bí mật và nhận thực thực tế. Mặc dù đã đƣợc cải thiện một cách đáng kể, an ninh thông tin trong thế hệ hai vẫn còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục. Hệ thống thông tin di động 3G ra đời đã tạo dựng một kiến trúc an 1
ninh chắc chắn, nhờ đó cung cấp đƣợc những đặc tính an ninh cần thiết. Hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ 3G UMTS đã đƣợc ITU chấp nhận. Do đó, việc nghiên cứu AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG này là một điều hết sức cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, em đã chọn đề tài nghiên cứa “CÔNG NGHỆ 3G VÀ VẤN ĐỀ BẢO MẬT” để làm đề tài tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm ba chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan hệ thống thông tin di động Chƣơng 2. Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ ba Chƣơng 3. Bảo mật trong công nghệ 3G Dù đã hết sức cố gắng, nhƣng do thời gian nghiên cứu, tìm hiểu có hạn và số lƣợng kiến thức còn hạn chế nên Đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận đƣợc sự cảm thông và góp ý chân thành của các thầy cô cùng các bạn để Đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 25 tháng 10 năm 2010 Sinh viên NGÔ THỊ PHƢƠNG HOA 2
Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG Từ cuối thế kỷ 18 – 19, công nghệ phát thanh số bằng truyền thông và điện đã đƣợc phát triển và sử dụng rộng rãi nhờ các phát minh của Hertz và Marconi. Nhờ các phát minh này mà thế giới đã thay đổi rất nhiều, cũng trong thời gian này hàng loạt các phát minh về tín hiệu điện, công nghệ thông tin điện tử ra đời. Năm 1946, với kỹ thật FM ( điều tần số) ở băng song 150 MHz, AT & T đƣợc cấp giấy phép cho dịch vụ điện thoại di động thực sự ở St.Louis. Năm 1948, một hệ thống điện thoại toàn tự động đầu tiên ra đời ở Richmond, Indiana Từ những năm 20 ở băng tần vô tuyến 2 MHz, sau thế chiến II mới xuất hiện thông tin di động điện thoại dân dụng. Từ cuối những năm 40 quan niệm “ cellular” đƣợc hình thành với Bell.Thay cho mô hình quảng bá với máy phát công suất lớn và anten cao là những cell diện tích bé có máy phát BTS công suất nhỏ. Khi các cell ở cách xa nhau đủ xa thì có thể sử dụng lại cùng một tần số Từ những năm 60, kênh thông tin di động có dải thông tần số 30 kHz với kỹ thuật FM ở băng tần 450 MHz đƣa hiệu xuất sử dụng phổ tần tăng gấp 4 lần so cới cuối thể chiến thứ II Tháng 12 – 1971 hệ thống cellular kỹ thuật tƣơng tự ra đời, FM, ở dải tần số 850 MHz. là sản phẩm thƣơng nghiệp AMPS ( tiêu chuẩn Mỹ) ra đời năm 1983 sản phẩm thƣơng nghiệp AMPS ( tiêu chuẩn Mỹ) ra đời. Năm 1996, một phần mƣời ngƣời Mỹ có điện thoại di động, còn hệ thống điện thoại công sở- vô tuyến đã bao gồm 40 triệu máy, trên 60 triệu điện thoại kéo dài đƣợc dùng, dịch vụ PCS thƣơng mại đã đƣợc áp dụng ở Washington. Trong thời gian 10 năm qua, các máy điện thoại di động (thiết bị đầu cuối) đã giảm kích thƣớc trọng lƣợng và giá thành 20% mỗi năm. Đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động cellular đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở các nƣớc khác nhau: TACS, NMTS, NAMTS, C, v.v 3
Ngày nay để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của ngƣời sử dụng mà các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trên thế giới đã không ngừng khám phá sáng tạo và phát triển nhiều loại hình mới nhƣ CDMA có nhiều dịch vụ mới cũng nhƣ đặc tính ƣu việt. Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ và đã có ứng dụng chủ yếu trong quân sự, đƣợc thành lập năm 1985. Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ hay các hệ thống nâng cấp CDMA2000, WCDMA Những hệ thống viễn thông này có thể đáp ứng mọi tiện ích, nhu cầu mà ngƣời sử dụng có thể yêu cầu ở nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. 1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần số cao hơn. Mã hóa số tín hiệu thoại với tốc độ bít ngày càng thấp, cho phép ghép nhiều kênh thoại hơn với dòng bít tốc độ chuẩn. Giảm tỷ lệ tin tức báo hiệu, dành tỷ lệ lớn hơn cho tin tức ngƣời sử dụng. Áp dụng kỹ thật mã hóa kênh và mã hóa nguồn của truyền dẫn số Hệ thống số chống nhiễu kênh chung CCI (Cochannel Interference) và nhiễu kênh kề ACI (Adjacent-Channel Interference) hiệu quả hơn. Điều này cuối cùng tăng dung lƣợng hệ thống. Điều khiển động trong việc cấp phát kênh liên lạc làm cho sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn. Có nhiều dịch vụ mới: nhận thực, số liệu, mật mã hóa, kết nối với ISDN. Điều khiển truy cập và chuyển giao hoàn hỏa hơn. Dung lƣợng tăng, diện tích cell nhỏ đi, chuyển giao nhiều hơn, báo hiệu tất bật đều dễ dàng xử lý bằng phƣơng pháp số. 1.3. CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG Đặc điểm truyền sóng trong thông tin di động là tín hiệu thu đƣợc ở máy thu thay đổi so với tín hiệu phát đi cả về tần số, biên độ, pha và độ trễ. 4
Các thay đổi này có tính chất rất phức tạp, ngẫu nhiên ảnh hƣởng tới chất lƣợng liên lạc. Về cơ bản chúng có thể phân chia các ảnh hƣởng truyền sóng này thành: Ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler, tổn hao đƣờng truyền, phadinh đa đƣờng và trải trễ Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của tín hiệu so với tín hiệu đƣợc phát đi, gây bởi chuyển động tƣơng đối giữa máy phát và máy thu trong quá trình truyền sóng. Tổn hao trên đƣờng truyền là sự suy giảm mức điện thu so với mức điện phát. Trong không gian truyền sóng tự do, mức điện trung bình thu do công suất tín hiệu trên một đơn vị diện tích của mặt cầu sóng giảm theo bình phƣơng khoảng cách giữa các anten thu và phát. Pha-dinh là hiện tƣợng cƣờng độ điện trƣờng tại điểm thu thay đổi do sự bức xạ nhiều tia. Trong thông tin di động số, ảnh hƣởng của đặc tính truyền dẫn đa đƣờng còn phụ thuộc nhiều vào tỷ số giữa độ dài một dấu (sysmbol) và độ trải trễ (delay spread) của kênh vô tuyến biến đổi theo thời gian. Độ trải trễ có thể xem nhƣ độ dài tín hiệu thu đƣợc khi một xung cực hẹp đƣợc truyền đi. Nếu số liệu đƣợc truyền đi với tốc độ thấp thì sự trải trễ có thể đƣợc giải quyết rõ ràng tại phần thu. Ra đời đầu tiên vào cuối năm 1940, đến nay thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ. Dựa vào các đặc điểm và phân loại mà các hệ thống thông tin di động đƣợc chia ra làm 3 loại: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Hệ thông thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 1.4. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ NHẤT(1G) Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động.Nhƣợc điểm của các hệ thống này là chất lƣợng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lƣợng nhỏ., nay gọi là CDMA.Trên thị trƣờng vào những năm 1980, một trong những công nghệ 1G phổ biến là NMT đƣợc sử dụng ở các nƣớc Bắc Âu, Tây Âu và Nga. Cũng có một số công nghệ khác nhƣ AMPS đƣợc sử dụng ở Mỹ và Úc. 5
1.5. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI(2G) Sau đó, xuất hiện các điện thoại kỹ thuật số, dùng công nghệ 2G, với sóng Digital. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 2G của mạng di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của Hà lan, do công ty Radiolinja triển khai vào năm 1991.Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn về tính tƣơng thích, khả năng chuyển mạng phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hoá trên giao diện vô tuyến. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số, và chúng sử dụng 2 phƣơng pháp đa truy cập: Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 1.5.1. Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Khả năng công nghệ về mã hóa thoại và nén dữ liệu cho phép trừ bỏ độ dƣ và khoảng lặng trong truyền thoại, cũng cho phép giảm thời gian cần thiết để trình diễn tín hiệu thoại.Các thuê bao truy cập kênh theo một chƣơng trình. Phổ qui định cho liên lạc di động đƣợc chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao đƣợc cấp phát một khe thời gian trong cấu trúc khung, đặc điểm: Tín hiệu của thuê bao đƣợc truyền dẫn số Liên lạc song công mỗi hƣớng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau Giảm nhiễu giao thoa Giảm số máy thu phát ở BTS Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. 1.5.2. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Mỗi MS đƣợc gán một mã riêng biệt và kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp cho các MS không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc chung dải tần số. Đặc điểm: Dải tần tín hiệu rộng hàm MHz 6
Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cƣờng độ trƣờng hiệu quả hơn FDMA, TDMA Một số hệ thống 2G đang tiến hóa đến ít nhất một phần các yêu cầu trên. Điếu này dẫn đến một hậu quả không mong muốn là lam sai lệch thuật ngữ”các thế hệ”. Chẳng hạn GSM với hỗ trợ số liệu kênh đƣợc phân loại nhƣ hệ thống 2G thuần túy. Khi tăng cƣờng thêm dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), nó trở nên phù hợp với nhiều tiêu chuẩn 3G. Dẫn đến nó không hẳn là 2G cũng nhƣ 3G mà là loại “giữa các thế hệ”, vì thế hệ thống GSM đƣợc tăng cƣờng GPRS hiện nay đƣợc gọi là hệ thống 2,5G.Trong khi thực tế vẫn thuộc loại 2G, ít nhất là về phƣơng diện công nghệ truyền dẫn vô tuyến. 1.5.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G-GPRS Có thể coi GPRS là phần mở rộng của cấu trúc mạng GSM đã có sẵn từ trƣớc sử dụng kỹ thuật gói để truyền báo hiệu cũng nhƣ truyền số liệu một cách hiệu quả nhất. GPRS tối ƣu hóa việc sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến cũng nhƣ hạ tầng mạng. Việc tách riêng các hệ thống vô tuyến (radio- system) với hệ thống con của mạng (network Subsystem) cho phép phần hệ thống con của mạng có khả năng sử dụng các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. GPRS không làm thay đổi các chức năng cơ bản sẵn có của GSM mà tận dụng một cách tối đa các thiết bị hiện có trong mạng GSM. Mục tiêu chính của GSM là cung cấp một chế độ truyền dẫn gói hiệu quả từ đầu đến cuối cho phép ngƣời sử dụng có thể truy cập mạng mà không cần sử dụng thêm một thiết bị phụ trợ nào khác với chi phí thấp. Điểm quan trọng và cơ bản nhất của giải pháp GPRS là hệ thống sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên vô tuyến, nghĩa là nhiều khách hàng có thể chia sẻ cùng băng thông và đƣợc một cell duy nhất phục vụ. GPRS còn hỗ trợ giao thức IP. Đây là một giao thức đƣợc dùng phổ biến nhất trên thế giới để truyền số liệu vì vậy GPRS có khả năng kết nối với nhiều thiết bị hệ thống khác nhau. Một đặc điểm khác cũng rất quan trọng của GPRS là nó sử dụng các giao diện mở. Các giao diện sử dụng trong GPRS đều là các giao diện chuẩn, do vậy ngƣời sử dụng có thể sử dụng các thiết bị do các nhà sản xuất khác nhau cung cấp. 7
Ta xét các kiểu hoạt động của MS trong GPRS: Bảng 1. Các kiểu hoạt động của MS trong GPRS Lớp Cơ chế hoạt động A Các dạng gói đồng thời và chuyển mạch kênh B Tự động chọn dạng chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói C Chuyển mạch gói Một MS của GPRS bao gồm các kết cuối Mobile (MT), là thiết bị tạo ra cơ chế cho việc thu phát tín hiệu dữ liệu và bên cạnh đó là thiết bị kết cuối (TE) là một thiết bị giống nhƣ một PC mà các ứng dụng có thể chạy trên đó. Chức năng của MS hoạt động theo 3 cơ chế trên 1.6. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA (3G) Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhƣng là hệ thống băng hẹp và đƣợc xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng đƣợc dịch vụ mới này. 3G công nghệ thế hệ thứ ba là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động. Nếu (1G )của điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại. (2G )của ĐTDĐ gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số. Trong bối cảnh đó ITU đã đƣa ra đề án tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000. IMT – 2000 đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phƣơng tiện thông tin. Mục đích của IMT – 2000 là đƣa ra nhiều khả năng mới nhƣng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. 3G mang lại cho ngƣời dùng các dịch vụ giá trị tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (nhƣ e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao. Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh, gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lƣợng lớn, tải tệp tin video và MP3, thay thế cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay và nhắn tin dạng chữ với chất lƣợng cao 8
Tốc độ của hệ thống thông tin di động thứ 3 được quy định: 384Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng. 2Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phƣơng Các chỉ tiêu chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ 3: Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz nhƣ sau:  Đuờng lên: 1885 – 2025 MHz;  Đƣờng xuống: 2110 -2200 MHz. IMT-2000 hỗ trợ tốc độ đƣờng truyền cao hơn: tốc độ tối thiểu là 2Mbps cho ngƣời dùng văn phòng hoặc đi bộ; 348Kbps khi di chuyển trên xe. Trong khi đó, hệ thống viễn thông 2G chỉ có tốc độ từ 9,6Kbps tới 28,8Kbps. Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:  Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến  Tƣơng tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông từ cố định, di động, thoại dữ liệu, dữ liệu, internet đến các dịch vụ đa phƣơng tiện Có thể hỗ trợ các dịch vụ nhƣ:  Các phƣơng tiện tại nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động các nhân và chuyển mạng toàn cầu  Đảm bảo chuyển mạng quốc tế cho phép ngƣời dùng có thể di chuyển đến bất kỳ quốc gia nào cũng có thể sử dụng một số điện thoại duy nhất.  Đảm bảo các dịch vụ đa phƣơng tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói.  Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện. Môi trƣờng hoạt động của IMT – 2000 đƣợc chia thành 4 vùng với tốc độ bit R nhƣ sau:  Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s  Vùng 2: Thành phố, ô macrô, R b ≤ 384 kbit/s  Vùng 2: Ngoại ô, ô macrô, Rb ≤ 144 kbit/s  Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s. 9
1.7. TỔNG KẾT MỘT SỐ NÉT CHÍNH CỦA CÁC NỀN TẢNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG TỪ THẾ HỆ 1 ĐẾN THẾ HỆ 3 Bảng 2. Những nét chính của thông tin di động từ thế hệ 1 đến thế hệ 3 Thế hệ thông Hệ thống Dịch vụ chung Chú thích tin di động Thế hệ 1 (1G) AMPS,TACS, Tiếng thoại FDMA, tƣơng tự NMT Thế hệ 2 (2G) GSM, IS-136, Chủ yếu cho dich TDMA hoặc IS-95 vụ tiếng và bản CDMA, số, băng tin ngắn hẹp (8-13kbps) Thế hệ trung GPRS, EDGE, Trƣớc hết là dịch TDMA, CDMA, gian (2,5G) CDMA 2000-1x vụ tiếng có đƣa Sử dụng chồng thêm các dịch vụ lên phổ tần của gói thế hệ 2 nếu không sử dụng phổ tần mới, tăng cƣờng truyền số liệu cho thế hệ 2 Thế hệ 3 (3G) CDMA 2000 Các dịch vụ tiếng CDMA, CDMA WCDMA và số liệu gói kết hợp với đƣợc thiết kế để TDMA, băng truyền tiếng và rộng, sử dụng số liệu đa chồng lần lên hệ phƣơng tiện. Là thống thứ 2 hiện nền tảng thực sự có nếu không sử của thế hệ 3 dụng phổ tần mới. 10
Chương 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 3 2.1. MỞ ĐẦU Xu thế chung của công nghệ di động là phải đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lƣợng, dung lƣợng, tính tiện lợi, giá cả, tính đa dạng về dịch vụ của ngƣời sử dụng. Vì vậy sau khi tồn tại một thời gian thì các công nghệ 2G đã bộc lộ các điểm yếu là không thể đáp ứng đƣợc yêu cầu trên mà phải đợi đến công nghệ 3G. Đối với các nhà khai thác dịch vụ di động cũng vậy, họ không chỉ dừng lại ở công nghệ đang khai thác mà luôn có lộ trình cho việc phát triển các công nghệ tiếp theo.Trong tiến trình phát triển lên công nghệ không dây thế hệ tiếp theo (3G) nổi lên 2 hƣớng phát triển theo hai tiêu chuẩn chính đã đƣợc ITU-T công nhận đó là CDMA2000 và W-CDMA WCDMA là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA nhƣ: GSM, IS-36. CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95. TACS GSM (900) GPRS WCDMA NMT GSM(1800) (900) GSM(1900) GPRS IS-136 (1900) IS-95 EDGE J-STD-008 1900 IS-136 TDMA (800) AMPS IS-95 CDMA CDMA CDMA (800) 20001x 2000Mx IDEN SMR (800) 1G 2G 2.5G 3G Hình 2.1. Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ thế hệ 1 đến thế hệ 3 11
2.1.1. Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA. WCDMA là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000 đƣợc phát triển chủ yếu ở châu Âu với mục đích cho phép các mạng cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phƣơng tiện. Các mạng WCDMA đƣợc xây dựng trên cơ sở mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM. Quá trình phát triển từ GSM lên CDMA qua các giai đoạn trung gian, có thể đƣợc tóm tắt trong sơ đồ sau đây: GSM GPRS EDGE WCDMA 1999 2000 2002 Hình 2.2. Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh WCDMA 2.1.1.1. GPRS. GPRS là một hệ thống vô tuyến thuộc giai đoạn trung gian, là bƣớc đệm quan trọng để tiến tới 3G của các hệ thống GSM, nhƣng vẫn là hệ thống 3G nếu xét về mạng lõi. GPRS cung cấp các kết nối số liệu chuyển mạch gói với tốc độ truyền lên tới 171,2Kpbs (tốc độ số liệu đỉnh) và hỗ trợ giao thức Internet TCP/IP và X25, nhờ vậy tăng cƣờng đáng kể các dịch vụ số liệu của GSM. Mạng lõi GSM đƣợc tạo thành từ các kết nối chuyển mạch kênh đƣợc mở rộng bằng cách thêm vào các nút chuyển mạch số liệu và gateway mới, đƣợc gọi là GGSN ( Gateway GSM Support Node) và SGSN ( Serving GPRS Support Node). GPRS là một giải pháp đã đƣợc chuẩn hóa hoàn toàn với các giao diện mở rộng và có thể chuyển thẳng lên 3G về cấu trúc mạng lõi. 2.1.1.2. EDGE EDGE là một kỹ thuật truyền dẫn 3G đã đƣợc chấp nhận và có thể triển khai trong phổ tần hiện có của các nhà khai thác TDMA và GSM. EDGE sử dụng băng tần tái sử dụng sóng mang và cấu trúc khe thời gian của GSM, và đƣợc thiết kế nhằm tăng tốc độ số liệu của ngƣời sử dụng trong mạng GPRS hoặc HSCDS bằng cách sử dụng các hệ thống cao cấp và công nghệ tiên tiến khác. Vì vậy cơ sở hạ tầng và thiết bị đầu cuối hoàn toàn phù hợp với EDGE hoàn toàn tƣơng thích với GSM và GPRS. 12
2.1.1.3. WCDMA WCDMA là một công nghệ truy nhập vô tuyến đƣợc phát triển mạnh ở Châu Âu. Hệ thống này hoạt động ở chế độ FDD và dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, sử dụng tốc độ chip 3,84Mcps bên trong băng tần 5MHz. Băng tần rộng hơn và tốc độ trải phổ cao làm tăng độ lợi xử lý và một giải pháp thu đa đƣờng tốt hơn, đó là một đặc điểm quyết định để chuẩn bị cho IMT-2000. WCDMA hỗ trợ trọn vẹn cả dịch vụ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tốc độ cao và đảm bảo sự hoạt động đồng thời các dịch vụ hỗn hợp với chế độ gói hoạt động ở mức hiệu quả nhất. Hơn nữa WCDMA có thể hỗ trợ các tốc độ số liệu khác nhau, dựa trên thủ tục điều chỉnh tốc độ. Chuẩn WCDMA hiện thời sử dụng phƣơng pháp điều chế QPSK, một phƣơng pháp điều chế tốt hơn 8-PSK, cung cấp tốc độ số liệu đỉnh là 2Mbps với chất lƣợng truyền tốt trong vùng phủ rộng. WCDMA là công nghệ truyền dẫn vô tuyến mới với mạng truy nhập vô tuyến mới, đƣợc gọi là UTRAN, bao gồm các phần tử mạng mới nhƣ RNC (Radio Network Controller) và node B ( tên gọi trạm gốc mới trong UMTS) Tuy nhiên mạng lõi GPRS/EDGE có thể đƣợc sử dụng lại và các thiết bị đầu cuối hoạt động ở nhiều chế độ có khả năng hỗ trợ GSM/GPRS/EDGE và cả WCDMA 2.1.2. Hướng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000. Hệ thống CDMA2000 gồm một số nhánh hoặc giai đoạn phát triển khác nhau để hỗ trợ các dịch vụ phụ đƣợc tăng cƣờng. Nói chung CDMA2000 là một cách tiếp cận đa sóng mang cho các sóng có độ rộng n lần 1,25MHz hoạt động ở chế độ FDD. Những công việc chuẩn hóa tập trung vào giải pháp một sóng mang đơn 1,25MHz (1x) với tốc độ chip gần giống IS-95. CDMA2000 đƣợc phát triển từ các mạng IS-95 của hệ thống thông tin di động 2G, có thể mô tả quá trình phát triển trong hình vẽ sau: CDMA CDMA IS-95A IS-95B 20001x 2000Mx 1999 2000 2002 Hình 2.3. Quá trình phát triển lên 3G theo nhánh CDMA2000 13
2.1.2.1. IS-95B IS-95B hay CDMA One đƣợc gọi là công nghệ thông tin di động 2,5G thuộc nhánh phát triển CDMA2000, là một tiêu chuẩn khá linh hoạt cho phép cung cấp dịch vụ số liệu lên đến 115Kbps. 2.1.2.2. CDMA20001xRTT Giai đoạn đầu của CDMA2000 đƣợc gọi là 1xRTT hay chỉ là 1xEV- DO, đƣợc thiết kế nhằm cải thiện dung lƣợng thoại của IS-95B và để hỗ trợ khả năng truyền số liệu ở tốc độ đỉnh lên tới 307,2Kbps. Tuy nhiên các thiết bị đầu cuối thƣơng mại của 1x mới chỉ cho phép tốc độ số liệu đỉnh lên tới 153,6Kbps. Những cải thiện so với IS-95 đạt đƣợc nhờ đƣa vào một số công nghệ tiên thiến nhƣ điều chế QPSK và mã hóa Turbo cho các dịch vụ số liệu cùng với khả năng điều khiển công suất nhanh ở đƣờng xuống và phân tập phát. 2.1.2.3. CDMA20001xEV-DO 1xEV-DO, đƣợc hình thành từ công nghệ HDR (High Data Rate) của Qualcomm, đƣợc chấp nhận với tên này nhƣ là một tiêu chuẩn thông tin di động 3G vào tháng 8 năm 2001 và báo hiệu cho sự phát triển của giải pháp đơn sóng mang với truyền số liệu gói riêng biệt. Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là chia các dịch vụ thoại và dịch vụ số liệu tốc độ cao vào các sóng mang khác nhau. 1xEV-DO có thể đƣợc xem nhƣ một mạng số liệu xếp chồng, yêu cầu một sóng mang riêng. Để tiến hành các cuộc gọi vừa có thoại, vừa có số liệu trên cấu trúc xếp chồng này cần có các thiết bị hoạt động ở 2 chế độ 1x và 1xEV-DO. 2.1.2.4. CDMA2000 1xEV-DV Trong công nghệ 1xEV-DO có sự dƣ thừa về tài nguyên do sự phân biệt cố định tài nguyên dành cho thoại và tài nguyên dành cho số liệu. Do đó, nhóm phát triển CDMA, khởi đầu pha thứ 3 của CDMA2000 đƣa các dịch vụ thoại và số liệu quay về chỉ dùng một sóng mang 1,25MHz và tiếp tục duy trì sự tƣơng thích ngƣợc với 1xRTT. Tốc độ số liệu cực đại của ngƣời sử dụng lên tới 3,1Mbps tƣơng ứng với kích thƣớc gói dữ liệu 3940 bit trong khoảng thời gian 1,25ms. Mặc dù kỹ thuật truyền dẫn cơ bản đƣợc định hình, vẫn có nhiều đề xuất công nghệ cho các thành phần chƣa đƣợc quyết định kể cả tiêu chuẩn cho đƣờng xuống của 1xEV-DV. 14
2.1.2.5. CDMA20003x (MC-CDMA) CDMA20003x hay 3xRTT, đề cập đến sự lựa chọn đa sóng mang ban đầu trong cấu hình vô tuyến CDMA2000 và đƣợc gọi là MC-CDMA thuộc IMT-MC trong IMT-2000. Công nghệ này liên quan đến việc sử dụng 3 sóng mang 1x để tăng tốc độ số liệu và đƣợc thiết kế cho dải tần 5MHz (gồm 3 kênh 1,25MHz). Sự lựa chọn đa sóng mang này chỉ áp dụng đƣợc trong truyền dẫn đƣờng xuống. Đƣờng lên trải phổ trực tiếp, giống nhƣ WCDMA với tốc độ chip hơi thấp hơn một chút 3,6864 Mcps (3 lần 1,2288cps). Để phát triển lên 3G thì các nhà khai thác đã phải trải qua nhiều công nghệ trung gian nhƣ đã trình bày ở trên. Trong đó có các công nghệ trung gian quan trọng để tiến đến 3G theo em thấy đó là: GPRS, EDGE, CDMA 20001x. 2.1.3. Công nghệ GPRS 2.1.3.1. Tổng quan mạng GPRS Dịch vụ này sẽ đem lại cơ hội mới cho các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động qua việc triển khai thêm các ứng dụng IP và thu hút thêm nhiều khách hàng. Điểm quan trọng và cơ bản nhất của giải pháp GPRS là hệ thống sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên vô tuyến (phổ tần – nghĩa là nhiều khách hàng có thể cùng chia sẻ băng thông và đƣợc một cell duy nhất phục vụ). Nhằm cung cấp dịch vụ một cách mềm dẻo, với nhiều phƣơng thức tính cƣớc khác nhau (tính theo thời gian truy nhập, tính theo dung lƣợng dữ liệu trao đổi ). GPRS là một dịch vụ mới dành cho GSM nhằm cải thiện và đơn giản hóa truy cập không dây tới các mạng dữ liệu gói, ví dụ nhƣ mạng Internet. Nó áp dụng nguyên tắc vô tuyến gói để truyền các gói dữ liệu của ngƣời sử dụng một cách hiệu quả từ máy di động GPRS đến các mạng chuyển mạch. Mục tiêu chính của GPRS là cung cấp một chế độ truyền dẫn gói hiệu quả từ đầu đến cuối cho phép ngƣời sử dụng có thể truy nhập mạng mà không cần sử dụng thêm một thiết bị phụ trợ nào khác với chi phí thấp. Dịch vụ vô tuyến gói đa năng GPRS là một chuẩn của Châu Âu. Đây là một kỹ thuật mới áp dụng cho mạng thông tin di động GSM. Nó cung cấp dịch vụ dữ liệu gói bên trong mạng PLMN và giao tiếp với các mạng ngoài qua cổng đấu nối trực tiếp nhƣ TCP/IP, X.25 Điều này cho phép các thuê bao di động GPRS có thể truy nhập vào mạng Internet và truyền dữ liệu lên đến 171 Kb/s. Trong mạng GPRS, một MS chỉ đƣợc dành tài nguyên vô tuyến 15
khi có số liệu cần phát và ở thời điểm khác những ngƣời sử dụng có thể dùng chung một tài nguyên vô tuyến. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần lên đáng kể. GPRS có hai mục tiêu chính: Kết hợp các kênh và đƣa ra các kế hoạch mã hóa kênh mới để đạt đƣợc tốc độ truyền dẫn cao hơn. Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả hơn bằng cách sử dụng GPRS đã khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm chính của thông tin chuyển mạch kênh truyền thống, bằng cách chia nhỏ số liệu thành từng gói nhỏ rồi truyền đi theo một trật tự qui định và chỉ sử dụng tài nguyên vô tuyến khi cần phát hoặc thu. 2.1.3.2. Kiến trúc mạng GPRS BTS MSC/VLR SOG A Abis AUC Um MS BTS PCU SMS-SC HLR Gs Gb Frame Relay Gr TCP/IP Gb SGSN Gi X.25 Gi Gn BGW Black bone Gn Gn GGSN GGSN Gb GGSN Another Hình 2.4. Kiến trúc mạng GPRS GPRS đƣợc phát triển trên cơ sở mạng GSM sẵn có. Các phần tử của mạng GSM chỉ cần nâng cấp về phần mềm, ngoại trừ BSC phải nâng cấp về phần cứng. GSM lúc đầu đƣợc thiết kế cho chuyển mạch kênh nên việc đƣa dịch vụ chuyển mạch gói vào mạng đòi hỏi phải bổ sung thêm thiết bị mới. Đó là node GSN, hai node đƣợc thêm vào để làm nhiệm vụ quản lý chuyển mạch gói là node hỗ trợ GPRS dịch vụ (SGSN) và node hỗ trợ cổng (GGSN). Hai node này thực hiện thu phát các gói số liệu giữa các MS và các thiết bị đầu cuối số liệu cố định của mạng cố định công cộng (PDN). GSN còn cho 16
phép thu – phát các gói số liệu đến các MS ở các mạng thông tin di động GSM khác. 2.1.3.3. Cấu trúc BSC trong GPRS Để nâng cấp mạng GSM lên GPRS, ngoài việc nâng cấp phần mềm ta cần bổ sung vào trong BSC một phần cứng gọi là khối kiểm soát gói PCU (Packet Control Unit). Khối này có nhiệm vụ xử lý việc truyền dữ liệu gói giữa máy đầu cuối và SGSN trong mạng GPRS. GMSC GGSN MSC SGSN Gb BSC PCU Hình 2.5. Giao diện Gb mở kết nối PCU với SGSN PCU quản lý các lớp MAC và RLC của giao diện vô tuyến, các lớp dịch vụ mạng của giao diện Gb ( giao diện giữa PCU và SGSN) . Nó bao gồm phầm mềm trung tâm, các thiết bị phần cứng và các phần mềm vùng (RPPs). Chức năng RPP là phân chia các khung PCU giữa các giao diện Gb và Abis. Chúng có thể đƣợc thiết lập để làm việc với giao diện Abis hay với cả hai giao diện Abis và Gb. Giải pháp bổ sung PCU vào BSC là một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí hệ thống. Về mặt truyền dẫn thì giao diện Abis đƣợc sử dụng cho cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trên GPRS nhƣng giao diện giữa BSS và SGSN lại dựa trên giao diện mở Gb. Thông qua Abis các đƣờng truyền dẫn và báo hiệu hiện tại của GSM đƣợc sử dụng lại trong GPRS nên đem lại hiệu suất cao và hiệu quả trong giá thành. Giao diện Gb là một đề xuất mới nhƣng nó có thể lƣu thông Gb một cách trong suốt thông qua MSC. 2.1.4. Công nghệ EDGE Để tiếp tục tối ƣu hóa hệ thống GSM của mình, nhà khai thác có thể sử dụng công nghệ EDGE. EDGE là một bƣớc phát triển cao hơn của GPRS 17
nhằm tiếp cận hơn với yêu cầu của 3G, nó có thể triển khai trên phổ tần sẵn có của nhà khai thác TDMA và GSM. So với GPRS, EDGE tập trung vào cải thiện phần truy nhập vô tuyến bằng cách sử dụng các phƣơng thức điều chế mức cao và một số kỹ thuật mã hóa tiên tiến khác. Nhờ vậy tốc độ dữ liệu tối đa của ngƣời sử dụng trên một sóng mang 200KHz có thể đạt đƣợc là 473.6kbps. Việc quy hoạch mạng vô tuyến sẽ ít bị ảnh hƣởng khi triển khai công nghệ EDGE. Cụ thể các BTS đƣợc tiếp tục sử dụng, các nút chuyển mạch gói GPRS cũng không bị ảnh hƣởng do chức năng độc lập với tốc độ bit của thuê bao. Toàn bộ thay đổi với các nút chuyển mạch của mạng chỉ là việc nâng cấp phần mềm. Thiết kế cũng cho phép đầu cuối EDGE nhỏ gọn và giá cả cạnh tranh đƣợc. Các kênh truyền dẫn trong EDGE cũng thích hợp cho các dịch vụ GSM và không có sự phân biệt giữa dịch vụ EDGE, GPRS hay GSM. Xét trên quan điểm nhà khai thác thì các dịch vụ EDGE nên triển khai trƣớc tiên cho các khu vực nóng sau đó mở rộng dần theo nhu cầu cụ thể. Việc nâng cấp phần cứng BSS theo công nghệ EDGE có thể quan niệm nhƣ nâng cấp và mở rộng mạng để đáp ứng phát triển thuê bao thông thƣờng. Khả năng 3G băng rộng có thể thực hiện từng bƣớc bằng cách triển khai dần giao diện vô tuyến mới 3G trên mạng lõi GSM hiện tại. Điều này đảm bảo an toàn đầu tƣ và chính sách khách hàng cho nhà khai thác. Đối với các nhà khai thác có giấy phép cho băng tần mới 2GHz thì có thể triển khai IMT-2000 cho các khu vực phủ sóng sớm có nhu cầu lớn nhất về các dịch vụ 3G. Đầu cuối 2 chế độ EDGE/IMT-2000 sẽ cho phép thuê bao thực hiện chuyển vùng và chuyển giao giữa các hệ thống. So với phƣơng án xây dựng mạng 3G hoàn toàn mới thì việc phát triển dần trên mạng GSM sẽ nhanh chóng và rẻ tiền hơn. Các bƣớc trung gian GPRS và EDGE cũng có thuận lợi là phát triển lên 3G dễ dàng. Thực tế, viêc tăng tốc dữ liệu trên giao diện vô tuyến đòi hỏi thiết kế lại các phƣơng thức truyền dẫn vật lý, khuôn dạng khung, giao thức báo hiệu tại các giao diện mạng khác nhau. Do vậy, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể về tốc độ dữ liệu để lựa chọn phƣơng án nâng cấp hệ thống nhằm tăng tốc độ dữ liệu trên các giao diện Abis. EDGE vẫn dựa vào công nghệ chuyển mạch kênh và 18
chuyển mạch gói với tốc độ tối đa đạt đƣợc là 384Kbps nên sẽ khó khăn trong việc hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi việc chuyển mạch linh động và tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Lúc này sẽ thực hiện nâng cấp EDGE lên W-CDMA và hoàn tất nâng cấp GSM lên 3G. Các kế hoạch và biện pháp khi áp dụng EDGE trên GSM Để có thể thực hiện EDGE trên GSM, việc cần thiết là phải tiến hành từng bƣớc thông qua các kế hoạch phủ sóng, tần số, quản lý kênh, điều khiển công suất để không làm ảnh hƣởng đến việc khai thác. + Kế hoạch phủ sóng: Tỉ lệ sóng mang / nhiễu thấp chỉ làm giảm tốc độ truyền dữ liệu. Một tế bào EDGE sẽ cùng phục vụ cho nhiều ngƣời sử dụng với tốc độ yêu cầu khác nhau, tốc độ bit trung tâm sẽ cao và bị giới hạn ở biên tế bào. + Kế hoạch tần số: Nhờ kỹ thuật tƣơng hợp đƣờng kết nối trên EDGE vẫn sử dụng mẫu tần số 3/9 vì ảnh hƣởng tỉ số nhiễu cùng kênh không tác động đến chất lƣợng mạng. + Điều khiển công suất: Các hệ thống GSM sử dụng tính năng điều khiển công suất tự động ở máy đầu cuối và trạm thu – phát BTS. Tính năng này cho phép giảm công suất khi thuê bao tiến lại gần trạm và tăng công suất khi thuê bao rời xa trạm. Việc tự động này sẽ tăng tuổi thọ hệ thống và pin máy đầu cuối đồng thời nâng cao chất lƣợng cuộc gọi. EDGE cũng hỗ trợ chức năng này mặc dù cũng có một số điểm khác biệt so với GSM. + Quản lý kênh: Mỗi kênh vật lý trong tế bào có thể là một trong các loại nhƣ: Thoại GSM và dữ liệu chuyển mạch kênh, dữ liệu gói GPRS, dữ liệu chuyển mạch kênh EDGE – ECSD hay dữ liệu gói EDGE cho phép hỗn hợp giữa GPRS và EGPRS. 2.1.5. Công nghệ CDMA 20001X 1X là công nghệ tiếp theo của IS-95. Thuật ngữ 1X là viết tắt của 1XRTT. Tổ chức viễn thông quốc tế ITU đã công nhận chính thức 1X là công nghệ 3G vào năm 1999. Hệ thống CDMA 20001X đƣợc đƣa vào sử dụng lần đầu tiên tại Hàn Quốc do công ty SK – Telecom vào tháng 10 năm 2000 và tiếp theo đó đƣợc triển khai tại một số nƣớc ở Châu Á, Mỹ và Châu Âu. Có thể nối số thuê bao của hệ thống này tăng trƣởng một cách nhanh chóng theo, con số thống kê thì mỗi ngày số thuê bao của hệ thống này tăng 700.000 19
ngƣời, điều này cho thấy chất lƣợng cũng nhƣ dịch vụ của hệ thống CDMA đƣợc đánh giá rất cao. Hệ thống CDMA 20001X là hệ thống theo các chuẩn báo hiệu nhƣ SS7 và IS-41, trung tâm dịch vụ bản tin ngắn, hệ thống Voicemail, các dịch vụ trả trƣớc, hệ thống dữ liệu gói và PSTN. Giải pháp mạng đảm bảo cho phép có thể thực hiện các dịch vụ thoại và dữ liệu đồng thời, các dịch vụ dữ liệu gói trên cơ sở giao thức IP. Có thể nói CDMA 2001x là một bƣớc phát triển đầy tự nhiên của công nghệ CDMA trong đó sự kết hợp chặt chẽ với các dịch vụ dữ liệu gói đã tồn tại trong các mạng khác. Các nhà cung cấp dịch vụ của hệ thống CDMA có thể triển khai các dịch vụ dữ liệu gói đã tồn tại trong các mạng khác. Các nhà cung cấp dịch vụ của hệ thống CDMA có thể triển khai các dịch vụ dữ liệu của hệ thống 1x bằng việc sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng CMDA One đã tồn tại. Với việc cung cấp các dịch vụ gói dữ liệu và tốc độ truyền dữ liệu không dây với tốc độ cao lên đến 144Kbps thì mạng CDMA 20001x cho phép các khách hàng có thể truy cập vào mạng Internet hoặc mạng Lan của các công ty lớn. 2.1.6. Tổng kết. Nhƣ vậy trên thế giới hiện đang tồn tại các công nghệ khác để xây dựng hệ thống thông tin di động 3G, và thực hiện theo hƣớng triển khai 3G hỗ trợ cho 2G, phát triển 3G từ 2G lên, đặc biệt hỗ trợ cho các mạng đã thành công của 2G. Hiện nay mạng thông tin di động ở Việt Nam đang sử dụng chủ yếu công nghệ GSM, tuy nhiên trong tƣơng lai mạng thông tin này sẽ không đáp ứng dƣợc các nhu cầu về thông tin di động,do đó việc nghiên cứu và triển khai mạng thông tin di động CDMA là một tất yếu. Ở Bắc Mỹ, công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị và là nền tảng của thông tin di động thế hệ 3. Ở Đồ án này em đi sâu, tìm hiểu về hƣớng phát triển lên 3G sử dụng công nghệ CDMA2000. 20
2.2. CÔNG NGHỆ CDMA 2000 2.2.1. Nguyên lý CDMA 2.2.1.1. Tổng quan Lý thuyết về CDMA đã đƣợc xây dựng từ những năm 1950 và đƣợc áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã đƣợc thƣơng mại hóa từ phƣơng pháp thu GPS và Ommi - TRACS, phƣơng pháp này cũng đã đƣợc đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào năm 1990. Trong thông tin CDMA thì nhiều ngƣời sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN với sự tƣơng quan chéo thấp đƣợc ấn định cho mỗi ngƣời sử dụng. Ngƣời sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên nhƣ ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngƣợc các tín hiệu đồng bộ thu đƣợc. 2.2.1.2. Thủ tục thu phát tín hiệu Tín hiệu số liệu thoại (9,6 Kb/s) phía phát đƣợc mã hoá, lặp, chèn và đƣợc nhân với sóng mang fo và mã PN ở tốc độ 1,2288 Mb/s (9,6 Kb/s x 128). Tín hiệu đã đƣợc điều chế đi qua một bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25MHz sau đó phát xạ qua anten. Ở đầu thu, sóng mang và mã PN của tín hiệu thu đƣợc từ anten đƣợc đƣa đến bộ tƣơng quan qua bộ lọc băng thông độ rộng băng 1,25 MHz và số liệu thoại mong muốn đƣợc tách ra để tái tạo lại số liệu thoại nhờ sử dụng bộ tách chèn và giải mã. 2.2.1.3. Các đặc điểm của CDMA Tính đa dạng của phân tập Trong hệ thống điều chế băng hẹp nhƣ điều chế FM analog sử dụng trong hệ thống điện thoại tổ ong thế hệ đầu tiên thì tính đa đƣờng tạo nên nhiều fading nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của vấn đề fading đa đƣờng đƣợc giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng vì các tín hiệu qua các đƣờng khác nhau đƣợc thu nhận một cách độc lập. Nhƣng hiện tƣợng fading xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading đa đƣờng không thể loại trừ hoàn toàn đƣợc vì với các hiện tƣợng 21
fading đa đƣờng xảy ra liên tục đó thì bộ giải điều chế không thể xử lý tín hiệu thu một cách độc lập đƣợc. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theo thời gian, theo tần số và theo khoảng cách. Công suất phát thấp Việc giảm tỷ số Eb/No (tƣơng ứng với tỷ số tín hiệu/nhiễu) chấp nhận đƣợc không chỉ làm tăng dung lƣợng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa. Việc giảm này nghĩa là giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong các vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với các hệ thống analog hoặc TDMA có công suất tƣơng tự. Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và làm giảm số lƣợng BTS yêu cầu khi so với các hệ thống khác. Bảo mật cuộc gọi Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơ bản là tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đã đƣợc scrambing (trộn). Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo mật cuộc gọi đƣợc định rõ trong EIA/TIA/IS-54-B. Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác. Bộ mã - giải mã thoại và tôc độ số liệu biến đổi Bộ mã – giải mã thoại của hệ thống CDMA đƣợc thiết kế bởi các tốc độ biến đổi 8 Kb/s. Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tin thoại có sử dụng thuật toán mã – giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS và máy di động. Bộ mã – giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra các gói tín hiệu thoại đƣợc mã hóa dùng để truyền tới bộ mã – giải mã thoại phía thu. Bộ mã – giải mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu đƣợc thành các mẫu tín hiệu thoại. Hai bộ mã – giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là 9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s,1200b/s, các tốc độ này đƣợc chọn theo điều 22
kiện hoạt động và theo bản tin hoặc số liệu. Thuật toán mã – giải mã thoại chấp nhận CELP (mã dự đoán tuyến tính thực tế). Thuật toán dùng cho hệ thống CDMA là QCELP. Bộ mã – giải mã thoại biến đổi sử dụng ngƣỡng tƣơng thích để chọn tốc độ số liệu. Ngƣỡng đƣợc điều khiển theo cƣờng độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽ chỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu thoại vào. Do đó, tạp âm nền bị triệt đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lƣợng cao trong môi trƣờng tạp âm Máy di động có chuyển vùng mềm Sau khi cuộc gọi đƣợc thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu của BTS bên cạnh để so sánh cƣờng độ tín hiệu của ô bên cạnh với cƣờng độ tín hiệu của ô đang sử dụng. Nếu cƣờng độ tín hiệu đạt đến một mức nhất định nào đó có nghĩa là máy di động đã di chuyển sang một vùng phục vụ của một BTS mới và trạng thái chuyển vùng mềm có thể bắt đầu. Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cƣờng độ tín hiệu và số hiệu của BTS mới. Sau đó, MSC thiết lập một đƣờng nối mới giữa máy di động và BTS mới và bắt đầu quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ đƣờng kết nối ban đầu. Trong trƣờng hợp máy di động đang trong một vùng chuyển đổi giữa hai BTS thì cuộc gọi đƣợc thực hiện bởi cả hai BTS sao cho chuyển vùng mềm có thể thực hiện đƣợc mà không có hiện tƣợng ping-pong giữa chúng. BTS ban đầu cắt đƣờng kết nối cuộc gọi khi việc đấu nối cuộc gọi với BTS mới đã thực hiện thành công Dung lượng Trong hệ thống CDMA thì một kênh băng tần rộng đƣợc sử dụng chung bởi tất cả các BTS. Các tham số chính xác định dung lƣợng của hệ thống tổ ong số CDMA bao gồm: độ lợi xử lý, tỷ số Eb/No (bao gồm cả giới hạn fading yêu cầu), chu kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tần số và số lƣợng búp sóng của anten BTS. Hơn nữa, càng nhiều kênh thoại đƣợc cung cấp trong hệ thống CDMA có cùng một tỷ lệ cuộc gọi bị chặn và hiệu quả trung kế cũng tăng lên thì càng nhiều dịch vụ thuê bao đƣợc cung cấp trên một kênh. 23
Tách tín hiệu thoại Trong thông tin hai chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn khoảng 35%. Trong trƣờng hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài. Nhƣng do tốc độ truyền dẫn số liệu giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở ngƣời sử dụng khác giảm một cách đáng kể. Dung lƣợng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng 1/2 vì dung lƣợng đƣợc xác định theo mức giao thoa ở những ngƣời sử dụng khác. Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng Tất cả các BTS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA. Giao thoa tổng ở tín hiệu máy di động thu đƣợc từ BTS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của cùng một BTS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của BTS bên cạnh. Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di động giao thoa với tín hiệu của tất cả các máy di động khác. Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng một nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BTS. Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BTS không định hƣớng là khoảng 65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BTS với giao thoa từ tất cả các BTS Giá trị Eb/No thấp (hay C/I) và chống lỗi Eb/No là tỷ số của năng lƣợng trên mỗi bit đối với mật độ phổ công suất tạp âm, đó là giá trị tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất của phƣơng pháp điều chế và mã hoá số. Khái niệm Eb/No tƣơng tự nhƣ tỷ số sóng mang tạp âm của phƣơng pháp FM analog. Do độ rộng kênh băng tần rộng đƣợc sử dụng mà hệ thống CDMA cung cấp một hiệu suất và độ dƣ mã sửa sai cao. Nói cách khác thì độ rộng kênh bị giới hạn trong hệ thống điều chế số băng tần hẹp, chỉ các mã sửa sai có hiệu suất và độ dƣ thấp là đƣợc phép sử dụng sao cho giá trị Eb/No cao hơn giá trị mà CDMA yêu cầu. Mã sửa sai trƣớc đƣợc sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế số hiệu suất cao. Có thể tăng dung lƣợng và giảm công suất yêu cầu với máy phát nhờ giảm Eb/No. 24
Dung lượng mềm Hiện tại FCC (Uỷ ban thông tin liên bang của Mỹ) ấn định phổ tần 25 MHz cho hệ thống tổ ong, hệ thống này đƣợc phân bổ đồng đều cho 2 công ty viễn thông theo các vùng. Dải phổ này đƣợc phân phối lại giữa các ô để cho phép sử dụng lớn nhất là 57 kênh FM analog cho một BTS 3 - búp sóng. Do đó, thuê bao thứ 58 sẽ không đƣợc phép có cuộc gọi khi lƣu lƣợng bị nghẽn. Khi đó thậm chí một kênh cũng không đƣợc phép thêm vào hệ thống này và dung lƣợng sẽ giảm khoảng 35% do trạng thái tắc cuộc gọi. Nói cách khác thì hệ thống CDMA có mối liên quan linh hoạt giữa số lƣợng ngƣời sử dụng và loại dịch vụ. Ví dụ, ngƣời sử dụng hệ thống có thể làm tăng tổng số kênh trong đa số thời gian liên tục đƣa đến việc tăng lỗi bit. Chức năng đó có thể làm tránh đƣợc việc tắc cuộc gọi do tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Trong hệ thống analog và hệ thống TDMA số thì cuộc gọi đƣợc ấn định đối với đƣờng truyền luân phiên hoặc sự tắc cuộc gọi xảy ra trong trƣờng hợp tắc nghẽn kênh trong trạng thái chuyển vùng. Nhƣng trong hệ thống CDMA thì có thể thoả mãn cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỷ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành. Cũng vậy, hệ thống CDMA sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất lƣợng cao phụ thuộc vào giá thành dịch vụ và ấn định công suất (dung lƣợng) nhiều cho các thuê bao sử dụng dịch vụ lớp cao. Có thể cung cấp thứ tự ƣu tiên cao hơn đối với dịch vụ chuyển vùng của ngƣời sử dụng lớp dịch vụ cao so với ngƣời sử dụng thông thƣờng. 2.2.1.4. Ưu điểm của CDMA Tăng dung lượng hệ thống, nâng cao chất lượng cuôc gọi Các hệ thống điện thoại cellular sử dụng công nghệ CDMA cung cấp âm thanh có chất lƣợng cao hơn và ít xảy ra rớt cuộc gọi hơn các hệ thống hoạt động hoạt động dựa trên những công nghệ khác. Có nhiều đặc tính tồn tại trong hệ thống CDMA đã tạo ra những khả năng đó: Các phƣơng pháp sửa lỗi tiên tiến làm tăng khả năng chính xác cho các khung nhận đƣợc. Các bộ mã hóa tinh vi cho phép mã hóa tố độ cao và giảm tạp âm nền. 25
CDMA sử dụng ƣu điểm của nhiều loại phân tập khác nhau để nâng cao chất lƣợng thoại: - Phân tập tần số: Bảo bệ khỏi những ảnh hƣởng của Phadinh nhanh. - Phân tập không gian: Khi MS di chuyển giữa các ô làm chung tần số thì nó thực hiện chuyển giao mềm, thiết lập các kênh truy nhập với BTS mới trƣớc khi cắt bỏ kênh cũ. Trong giai đoạn quá độ thì MS làm việc đồng thời với 2 BTS tƣơng ứng với việc mạng làm việc phân tập theo không gian. - Phân tập thời gian: Dùng cài xen và mã hóa - Phân tập đƣờng truyền: Sử dụng bộ thu Rake để khắc phục sự thu nhận một tín hiệu qua nhiều đƣờng gây ra nhiễu giao thoa và nâng cao chất lƣợng âm thanh Quá trình thiết kế được đơn giản hóa Tất cả thuê bao sử dụng chung một nhóm sóng mang CDMA, cùng chia sẻ một phổ tần với nhau. Hệ số sử dụng lại tần số bằng 1 là một yếu tố quan trọng đã làm cho dung lƣợng của CDMA lớn hơn nhiều AMPS và các công nghệ khác, đồng thời nó còn làm cho việc thiết kế hệ thống đơn giản, dễ hiểu hơn. Nhà khai thác sẽ không phải lập kế hoạch sử dụng tần số - một công việc hết sức phức tạp trong hệ thông tƣơng tự và TDMA. Quan trọng hơn, kể cả việc điều chỉnh lại tần số để mở rộng cũng đƣợc loại bỏ. Nếu nhà khai thác muốn thêm một cell hay một kênh mới thì không cần thiết phải lập lại toàn bộ tần số của hệ thống. Nâng cao tính bảo mật thông tin Thông tin trong CDMA đƣợc bảo mật rất cao, việc xâm nhập bất hợp pháp vào tín hiệu CDMA là cực kỳ khó. Đó là vì các khung thông tin đã số hóa đƣợc trải phổ trên một nền phổ rộng. Hơn thế nữa, trong tƣơng lai CDMA có các kế hoạch mã hóa số mới để tạo ra các mức bảo mật và an toàn hơn nhiều. Cải thiện vùng phủ sóng Một cell CDMA có vùng phủ sóng lớn hơn nhiều so với cell tƣơng tự hay số khác vì CDMA sử dụng thiết bị thu có độ nhạy lớn hơn các kỹ thuật khác. Do đó, để phủ sóng một vùng địa lý nhƣ nhau thì số cell CDMA phải dùng sẽ ít hơn. Tùy thuộc vào yêu cầu tải của hệ thống và nhiễu giao thoa mà việc giảm số cell có thể tới 50% so với GSM. 26
Tăng thời gian sử dụng pin Do việc điều khiển công suất chính xác và các đặc tính khác của hệ thống, các máy mobile CDMA thƣờng chỉ truyền công suất bằng một phần nhỏ công suất so với các máy tƣơng tự và TDMA. Điều này cho phép các thuê bao tăng thời gian sử dụng pin của máy mobile. Cung cấp dải thông theo yêu cầu Một kênh CDMA băng rộng cung cấp tài nguyên chung mà tất cả các mobile trong hệ thống cùng dùng chung, tùy theo ứng dụng là truyền thoại, dữ liệu, fax hay ứng dụng khác. Tại một thời điểm bất kỳ, phần dải thông không đƣợc sử dụng bởi mobile này thì có thể cung cấp cho một mobile khác. Điều này làm cho CDMA thực sự linh hoạt và đƣợc khai thác để tạo ra các khả năng mạnh hơn nhƣ dịch vụ dữ liệu tốc độ cao. Thêm vào đó, vì mobile hoàn toàn độc lập khi sử dụng “bandwidth pool” nên đặc trƣng đó có thể dễ dàng cùng tồn tại trên một kênh CDMA. 2.2.1.5. Nhược điểm của CDMA Khả năng roamming hạn chế Giá thành thiết bị đầu cuối đắt hoặc ngƣời sử dụng phải mua thiết bị của nhà khai thác 2.2.2. Điều khiển công suất CDMA Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2 chiều (từ BS đến máy di động và ngƣợc lại) để cung cấp một hệ thống có dung lƣợng lƣu lƣợng lớn, chất lƣợng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích khác. Mục đích của điều khiển công suất phát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di động sao cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong cùng một vùng phục vụ có thể đƣợc thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS. Khi công suất phát của tất cả các máy di động trong vùng phục vụ đƣợc điều khiển nhƣ vậy thì tổng công suất thu đƣợc tại bộ thu của BS trở thành công suất thu trung bình của nhiều máy di động. Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu CDMA thu đƣợc từ máy di động tƣơng ứng thành thông tin số băng hẹp. Trong trƣờng hợp này thì tín hiệu của các máy di động khác còn lại chỉ nhƣ là tín hiệu tạp âm của băng rộng. Thủ tục thu hẹp băng đƣợc gọi là độ lợi xử lý nhằm nâng cao tỷ số tín 27
hiệu/ giao thoa (db) từ giá trị tạp âm lên đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động đƣợc với lỗi bit chấp nhận đƣợc. Một mong muốn là tối ƣu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tăng số lƣợng các cuộc gọi đồng thời trong một băng tần cho trƣớc. Dung lƣợng hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động đƣợc thu bởi BS có tỷ số tín hiệu/giao thoa ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di động. Hoạt động của máy di động sẽ bị giảm chất lƣợng nếu tín hiệu của các máy di động mà BS thu đƣợc là quá yếu. Nếu các tín hiệu của các máy di động đủ khỏe thì hoạt động của các máy này sẽ đƣợc cải thiện nhƣng giao thoa đối với các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lƣợng cuộc gọi của các thuê bao khác sẽ bị giảm nếu nhƣ dung lƣợng tối đa không giảm. Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA là làm giảm công suất phát trung bình. Trong đa số trƣờng hợp thì môi trƣờng truyền dẫn là thuận lợi đối với CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn đƣợc yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian. Trong hệ thống CDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi có fading 2.2.3. Chuyển giao CDMA 2.2.3.1. Khái quát về chuyển giao trong các hệ thống thông tin di động Ở các hệ thống thông tin di động tổ ong, chuyển giao xảy ra khi trạm di động đang làm các thủ tục thâm nhập mạng hoặc đang có cuộc gọi. Mục đích của chuyển giao là để đảm bảo chất lƣợng đƣờng truyền khi một trạm di động rời xa trạm gốc đang phục vụ nó. Khi đó, nó phải chuyển lƣu lƣợng sang một trạm gốc mới hay một kênh mới. Chuyển giao là một phần cần thiết cho việc xử lý sự di động của ngƣời sử dụng đầu cuối. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi ngƣời sử dụng di động di chuyển từ qua ranh giới các ô tế bào. Trong các hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất nhƣ AMPS, việc chuyển giao tƣơng đối đơn giản. Sang hệ thống thông tin di động thế hệ 2 nhƣ GSM và PACS thì có nhiều cách đặc biệt hơn bao gồm các thuật toán chuyển giao 28
đƣợc kết hợp chặt chẽ trong các hệ thống này và trễ chuyển giao tiếp tục đƣợc giảm đi. Khi đƣa ra công nghệ CDMA, một ý tƣởng khác đƣợc đề nghị để cải thiện quá trình chuyển giao đƣợc gọi là chuyển giao mềm. 2.2.3.2. Các loại chuyển giao. Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng đƣợc thực hiện khi cần chuyển lƣu lƣợng sang một kênh tần số mới. Chuyển giao cứng thực hiện phƣơng thức cắt trƣớc khi nối. Ở chuyển giao này kết nối với kênh cũ bị cắt trƣớc khi kết nối với kênh mới. Nhƣợc điểm của chuyển giao này là có thể rớt cuộc gọi do chất lƣợng của kênh mới quá xấu trong khi kênh cũ đã cắt. Các sơ đồ chuyển giao cứng bao gồm: Chuyển giao CDMA đến CDMA: Trạm di động chuyển dịch giữa các ô hay đoạn ô làm việc ở tần số CDMA khác nhau. Chuyển giao cứng CDMA đến tƣơng tự: Trạm di động chuyển kênh lƣu lƣợng CDMA đến kênh tiếng tƣơng tự. Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm xảy ra khi MS tạo đƣợc kết nối mới rồi mới ngắt bỏ kết nối cũ. Có 2 trƣờng hợp: MS nằm trong vùng chồng lấn phủ sóng giữa 2 ô, làm việc trên 2 kênh với 2 BTS khác nhau thì 2 BTS này phải thông báo để có cùng mã PN. BSC chọn khung có tiếng nói tốt của 2 kênh. MS nằm trong vùng chồng lấn của 3 ô. BSC chọn một trong ba kênh tiếng nói của 3 BTS Chuyển giao mềm làm tăng độ tin cậy của truyền tin và không bị gián đoạn. Chuyển giao mềm chỉ có thể thực hiện ở hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA vì ở đây sử dụng chung một kênh tần số nên trạm di động không cần thay đổi kênh tần số khi nó di chuyển vào vùng phục vụ mới. Chuyển giao siêu mềm Chuyển giao từ anten định hƣớng này sang anten định hƣớng khác của cùng trạm gốc. Chuyển giao mềm mềm hơn MS ở vùng chuyển giao của 2 dải quạt 1 ô và ô thứ hai, ở đây sẽ vừa lựa chọn theo mức cƣờng độ trƣờng, vừa lựa chọn theo không gian 29
2.2.4. Máy thu Rake Phân tập là một kỹ thuật thông tin áp dụng trong các hệ thống nhiễu và pha đinh, chúng cho ta sự cải thiện kết nối vô tuyến với giá thành tƣơng đối thấp. Khác với san bằng, phân tập không cần đòi hỏi một sự tập dƣợt trƣớc. Hơn thế nữa, có rất nhiều cách để thực hiện phân tập, tất cả đều rất thực tế và cho sự cải thiện kết nối một cách đáng kể với giá thành phụ thêm ít. Tín hiệu trải phổ không có khả năng chống phadinh vì các thành phần nhiều đƣờng cùng mang thông tin về một tín hiệu đƣợc gửi đi và các thành phần này lại độc lập với nhau. Do vậy, nếu một trong các thành phần nhiều đƣờng bị suy giảm do pha dinh thì các thành phần khác có thể không bị ảnh hƣởng bởi phadinh để đƣa ra quyết định về tín hiệu thu đƣợc. Máy thu CDMA sử dụng tín hiệu nhiều đƣờng để thu phân tập đƣợc gọi là máy thu Rake. 2.2.5. Tổ chức kênh trong CDMA2000 kênh trong CDMA2000 đƣợc tổ chức thành hai loại kênh là kênh đƣờng lên (hƣớng từ MS tới BTS) và kênh đƣờng xuống (hƣớng từ BTS tới MS). Các kênh này lại đƣợc chia thành kênh vật lý và kênh logic. 30
2.2.5.1. Kênh vật lý Ký hiệu tên kênh và chức năng của kênh vật lý đƣợc cho dƣới bảng sau: Bảng3: Bảng ký hiệu kênh và chức năng của kênh vật lý Tên kênh Kênh vật lý F/R-PICH Kênh hoa tiêu đƣờng xuống/lên (Forward/Reverse Pilot Channel) F/SYNC Kênh đồng bộ đƣờng xuống (Forward Sync Channel) F- Kênh phân tập phát đƣờng xuống (Forward Transmit Diversyti TDPICH Pilot Channel) F-PCH Kênh tìm gọi đƣờng xuống (Forward Paging Channel) F-BCCH Kênh điều khiển quảng bá đƣờng xuống (Foraward Broadcast Control Channel) F-QPCH Kênh tìm gọi nhanh đƣờng xuống (Forward Quick Paging Channel) F-CPCCH Kênh điều khiển công suất chung đƣờng xuống (Forward Common Power Control Channel) F-CACH Kênh ấn định chung đƣờng xuống (Forward Common Assigment Channel) F/R- Kênh điều khiển chung đƣờng xuống/lên (Forward/Reverse CCCH Common Control Channel) F/R- Kênh điều khiển riêng đƣờng xuống /lên (Forward/Reverse DCCH Dedicated Control Channel) F/R-FCH Kênh cơ bản đƣờng xuống lên (Forward/Reverse Fundamental Channel) F/R-SCH Kênh bổ xung đƣờng xuống/lên (Forward/Reverse Supplemental Channel) R-ACH Kênh thâm nhập đƣờng lên (Reverse Access Channel) F-EACH Kênh truy nhập tăng cƣờng đƣờng lên (Forward Enhanced Channel) F-APICH Kênh hoa tiêu phụ đƣờng xuống (Forward Auxiliary Pilot Channel) F- Kênh hoa tiêu phân tập phát bổ xung đƣờng xuống (Forward ATDPICH Auxiliary Transmit Diversyti Pilot Channel) F/R- Kênh bổ xung mã đƣờng xuống/lên (Forward/Reverse SCCH Supplemental Code Channel) 31
Kênh vật lý hướng xuống Từ cấu trúc trên ta thấy BS phát nhiều kênh chung cũng nhƣ một số kênh dành riêng cho thuê bao trong vùng phủ sóng của nó. Mỗi kênh CDMA đƣợc ấn định một kênh lƣu lƣợng đƣờng xuống nhƣ sau: Kênh F-FCH 0-7 kênh F-SCH cho cấu hình RC1 và RC2 0-2 kênh F-SCH cho cấu hình RC1 đến RC3 Các kênh F-FCH đƣợc sử dụng cho thoại còn các kênh F-SCH đƣợc sử dụng cho kênh số liệu. Kênh CDMA đƣờng xuống Kênh Kênh Kênh Kênh điều Kênh Kênh Kênh Kênh Kênh ấn điều tìm khiển hoa đồng lƣu quảng tìm định khiển gọi công tiêu bộ lƣợng bá gọi chung chung nhanh suất Kênh Kênh 0-1 0-7 Kênh hoa Kênh 0-2 hoa Kênh kênh 0-1 các hoa tiêu điều các tiêu hoa điều kênh kênh tiêu phân khiển kênh phân tiêu khiển cơ mã đƣờng tập công bổ tập phụ dành bản bổ xuóng phát suất sung phát riêng sung phụ Hình 2.6. Các kênh vật lý đường xuống Kênh hoa tiêu đường xuống F-PICH Kênh hoa tiêu đƣợc phát quảng bá liên tục bởi các trạm BS trên các kênh CDMA hƣớng xuống để cung cấp thông tin định thời và pha. Hoa tiêu chung là một tín hiệu không đƣợc điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp bằng hàm Walsh. F-PICH đƣợc dùng chung cho tất cả các kênh lƣu lƣợng và đƣợc sử dụng để: Cung cấp pha chuẩn cho giải điều chế nhất quán tại máy thu MS 32
Phát hiện các tia đa đƣờng để ấn định các ngón của RAKE đến đa đƣờng mạnh nhất. Bắt ô. Cung cấp các phƣơng tiện so sánh cƣờng độ tín hiệu giữa các trạm gốc để chuyển giao. Bằng kênh hoa tiêu chung có thể phát tín hiệu hoa tiêu mà không cần thông tin bổ sung cho ngƣời sử dụng. Hệ thống sử dụng hoa tiêu chung có thể đạt hiệu quả cao hơn hệ thống sử dụng hoa tiêu cho từng ngƣời. Đối với lƣu lƣợng thoại, hoa tiêu chung có thể đảm bảo đánh giá kênh tốt hơn và cần ít thông tin bổ sung hơn, vì thế cải thiện chất lƣợng thu. Ngoài ra nó có thể đảm bảo tìm kiếm tốt hơn và hoạt động chuyển giao tốt hơn. Kênh hoa tiêu phụ đường xuống F-APICH Là tín hiệu không đƣợc trải phổ chuẩn trực tiếp đƣợc phát liên tục từ BTS. F-APICH đƣợc sử dụng cho các ứng dụng tạo búp anten và búp hẹp. Các búp hẹp có thể sử dụng cho các ứng dụng phủ cho một vùng địa lý đặc iệt hoặc tăng dung lƣợng ở các vùng nóng. Kênh hoa tiêu phân tập phát phụ đường xuống F-TDPICH Đây là một kênh liên kết với kênh hoa tiêu phụ F-APICH. Hai kênh này cung cấp chuẩn pha để tách sóng nhất quán các kênh CDMA đƣờng xuống liên kết với kênh hoa tiêu phụ và thực hiện phân tập phát. Kênh đồng bộ đường xuống F-SYNC Đây là một kênh mã đƣợc các MS trong vùng phủ sóng của BS sử dụng để bắt bản tin đồng bộ lúc đầu. Có hai kiểu kênh F-SYNC: F-SYNC chia sẻ: Đảm bảo dịch vụ cho cả hai IS-95B và CDMA khi sử dụng F-SYNC ở kênh IS-95B bị chồng lấn. Chế độ này chỉ áp dụng cho hệ thống chồng lấn. F-SYNC băng rộng: đƣợc điều chế trên toàn bộ băng rộng . F-SYNC đƣợc điều chế nhƣ một kênh riêng trong vật lý chung đƣờng xuống. Chế độ này đƣợc áp dụng cho cả chế độ chồng lấn và không chồng lấn Kênh tìm gọi đường xuống F-PCH Đây là một kênh mã ở đƣờng xuống của kênh CDMA để phát thông tin điều khiển và các tìm gọi từ BS đến MS. Một BS của CDMA có thể có rất 33
nhiều kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi đƣợc sử dụng để phát các thông tin điều khiển và các bản tin tìm gọi từ MS đến các máy di động và làm việc ở chế độ 9.6Kbps hay 4.8 Kbps (giống IS-95). F-PCH mang các bản tin bổ sung, công nhận, ấn định kênh, các yêu cầu trạng thái và cập nhật số liệu chia sẻ bảo mật SDD (Secret Shared Data) từ BS đến MS. Có hai kiểu kênh tìm gọi là: F-PCH chia sẻ và F-PCH băng rộng. F-PCH chia sẻ đảm bảo dịch vụ cho cả hai IS-95 và CMDA khi sử dụng F-PCH ở kênh IS-95B bị chồng lấn. Chế độ này chỉ áp dụng cho các cấu hình chồng lấn. Kênh tìm gọi nhanh F-QPCH Là một tín hiệu trải phổ đƣợc điều chế bật / tắt phát đi từ BTS để thông báo cho các MS trong chế độ chia khe ở trạng thái rỗi có xuất hiện kênh điều khiển chung đƣờng xƣớng. F-QPCH cho phép tăng thời hạn acqui của MS bằng cách giảm thời gian phân tích các tìm gọi không dành cho nó. MS giám sát F-QPCH và khi cờ chỉ thị tìm gọi đƣợc lập, nó sẽ kiếm bản tin tìm gọi. Kênh điều khiển chung đường xuống F-CCCH Là một kênh điều khiển đƣợc sử dụng để truy nhập thông tin điều khiển số từ BS đến một hay nhiều MS. F-CCCH truyền bản tin điều khiển lớp 3 và MAC từ BS đến MS nhƣ: 5ms, 10ms, 20ms phụ thuộc vào môi trƣờng khai thác. Kênh quảng bá chung đường xuống F-BCCH Đây là kênh tìm gọi dành riêng cho các bản tin điều khiển bổ sung và các bản tin quảng bá của SMS. Nhờ vậy, các bản tin bổ sung cho điều khiển của kênh tìm gọi đƣợc chuyển sang một kênh quảng bá riêng. Biện pháp này cải thiện thời gian khởi đầu MS và hiệu quả hoạt động truy nhập hệ thống. Ngoài ra, nhờ việc giảm số bản tin trên kênh F-PCH dung lƣợng tìm gọi tăng. Kênh cơ bản đường xuống F-FCH Là một bộ phận của kênh lƣu lƣợng đƣờng xuống để mang tín hiệu ghép của số liệu tốc độ cao và thông tin điều khiển công suất. Mỗi kênh F- FCH đƣợc phát trên một kênh mã trực giao khác nhau và sử dụng kích cỡ khung tƣơng ứng 20ms và 5ms. Kênh bổ xung đường xuống F-SCH Đƣợc sử dụng cho các cuộc gọi dữ liệu tốc độ cao. Mỗi kênh lƣu lƣợng đƣờng F-TCH có thể chứa tới hai kênh F-SCH. Trạm BS sẽ phát thông tin dữ 34
liệu trên kênh F-SCH ở các tốc độ: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 78600,153600bps. Trạm BS phát kênh F-SCH sử dụng chuỗi PNI, PNQ giống nhƣ trên kênh hoa tiêu F-PICH. Kênh điều khiển riêng đường xuống F-DCCH Đƣợc sử dụng để truyền thông tin ngƣời sử dụng và báo hiệu trong quá trình thực hiện cuộc gọi. Mỗi kênh F-TCH có thể chứa một kênh F-DCCH. Trạm BS sẽ phát thông tin trên kênh F-DCCH ở tốc độ không đổi 9600bps với tốc độ dài khung là 20ms và sử dụng các chuỗi PNI, PNQ giống nhƣ kênh hoa tiêu F-PICH cho việc trải phổ tín hiệu. Đặc điểm của kênh CDMA2000 đường xuống: Truyền dẫn đơn và đa sóng mang Phân tập phát Điều chế trực giao 35
Kênh vật lý đường lên Kênh CDMA 2000 đƣờng lên Kênh lƣu Kênh khai Kênh khai Kênh khai lƣợng thác điều Kênh truy thác truy thác lƣu đƣờng khiển nhập nhập tăng lƣợng lên(RC1 chung cƣờng đƣờng lên hay RC2) đƣờng lên Kênh cơ Kênh hoa Kênh hoa Kênh hoa bản đƣờng tiêu đƣờng tiêu đƣờng tiêu đƣờng lên lên lên lên Kênh mã Kênh điều Kênh điều Kênh truy bổ sung khiển khiển riêng nhập tăng đƣờng lên chung đƣờng lên cƣờng từ 0-7 đƣờng lên 0 hoặc 1 Kênh cơ bản đƣờng lên 0 hoặc 1 Kênh cơ bản đƣờng lên 0 đến 2 Kênh con điều khiển công suất Hình 2.7. Các kênh vật lý đường lên 36
Kênh truy nhập đường lên R-ACH R-ACH đƣợc các MS sử dụng để liên lạc với BTS cho các bản tin báo hiệu ngắn nhƣ: Khởi đầu cuộc gọi, trả lời tìm gọi, đăng ký, R-ACH là các kênh truy nhập ngẫu nhiên đƣợc chia khe. Kênh điều khiển chung đường lên R-CCCH Là một bộ phận của kênh CDMA đƣờng lên, đƣợc sử dụng để truyền thông tin điều khiển số từ một hay nhiều MS đến một BTS. R-CCCH có thể làm việc ở chế độ truy nhập dành trƣớc hay truy nhập ấn định. Nó có thể hỗ trợ chuyển giao mềm trong chế độ truy nhập dành trƣớc. R-CCCH đƣợc sử dụng để truyền bản tin MAC lớp 3 từ MS đến BTS. R- CCCH khác R-ACH ở chỗ R-CCCH cung cấp nhiều khả năng hơn R-ACH. Kênh hoa tiêu đường lên R-PICH Là một tín hiệu không đƣợc điều chế trải phổ trực tiếp, đƣợc MS phát liên tục. R-PICH cung cấp chuẩn pha cho giải điều chế nhất quán ở BTS và có thể cung cấp phƣơng tiện để đo cƣờng độ tín hiệu. Kênh hoa tiêu cho các kênh riêng đƣờng lên gồm: Một giá trị tham khảo cố định và thông tin điều khiển công suất đƣờng xuống ghép chung. Thông tin điều khiển công suất ghép theo thời gian đƣợc gọi là kênh con điều khiển công suất. Kênh con điều khiển công suất trên kênh R-PICH đƣợc MS sử dụng để điều khiển công suất BTS khi BTS này làm việc trên kênh lƣu lƣợng đƣờng xuống với cấu hình vô tuyến từ RC3 đến RC9. Kênh con này cung cấp thông tin về chất lƣợng đƣờng xuống ở tốc độ 1 bit trên nhóm công suất điều khiển công suất PCG (Power Control Group). Sự lặp điều khiển công suất có nghĩa là giá trị bit này không thay đổi trong thời gian lặp ký hiệu. Bit điều khiển công suất sử dụng phần cuối cùng của mỗi nhóm PCG. R-PICH đƣợc sử dụng để bắt đầu, bám thời gian, khôi phục chuẩn nhất quán cho máy thu Rake và đo công suất. Kênh lưu lượng đường lên Là kênh lƣu lƣợng để truyền báo hiệu và số liệu từ MS đến BTS. Đối với cấu hình RC1 và RC2 kênh lƣu lƣợng đƣờng lên bao gồm một kênh R- FCH và đến 7 kênh R-SCH. Đối với cấu hình RC3 và RC6 kênh lƣu lƣợng đƣờng lên gồm một kênh R-FCH, một kênh R-DCCH hoặc cả hai và tới hai kênh R-SCH. 37
Kênh cơ bản đường lên R-FCH Là một bộ phận của kênh lƣu lƣợng để mang số liệu tốc độ cao và thông tin điều khiển từ MS đến BTS R-FCH đƣợc truyền ở các tốc độ vô tuyến khác nhau cho cấu hình vô tuyến khác nhau. Kênh bổ sung đường lên R-SCH R-SCH sử dụng cho các cuộc gọi số liệu và có thể hoạt động ở các tốc độ bit khác nhau. Kênh điều khiển riêng đường lên R-DCCH Là một bộ phận của kênh lƣu lƣợng đƣờng lên đƣợc sử dụng để truyền số liệu mức cao và thông tin điều khiển từ MS đến BTS. Phụ thuộc vào hoàn cảnh phục vụ, kênh R-DCCH, R-FH, R-SCH đƣợc sử dụng hoặc không sử dụng. Mỗi kênh vật lý đƣợc trải phổ bằng một chuỗi mã Waslh để đảm bảo phân kênh trực giao cho các kênh logic. Kênh số liệu truy nhập tăng cường R-EACH Số liệu ở chế truy nhập cơ sở hoặc chế độ truy nhập có điều khiển công suất đƣợc phát trên kênh R-EACH, còn chế độ ở chế độ truy nhập dành trƣớc đƣợc phát trên kênh R-CCCH Đặc điểm của kênh CDMA2000 đường lên: Dạng sóng liên tục Các kênh trực giao đối với các chuỗi Waslh độ dài khác nhau Thích ứng tốc độ Các búp trên phổ thấp Các kênh số liệu độc lập Điều khiển công suất đƣờng lên Kênh điều khiển riêng cách biệt Độ dài khung. 2.2.5.2. Kênh logic. Bao gồm kênh lƣu lƣợng và kênh báo hiệu. Tên và chức năng của chúng nhƣ sau: 38
Kênh lưu lượng riêng F/R-DTCH DTCH là một kênh logic đƣờng lên hoặc đƣờng xuống đƣợc sử dụng để mang số liệu của ngƣời sử dụng. Kênh lưu lượng chung F/R-CTCH CTCH là một kênh logic đƣờng lên hoặc xuống đƣợc sử dụng để mang cụm số liệu ngắn liên quan đến dịch vụ số liệu. Kênh MAC riêng F/R-CMCH-Control CMCH-Control là kênh logic đƣờng lên hoặc xuống đƣợc sử dụng để mang các bản tin MAC: Mudium Access Control – điều khiển truy nhập môi trƣờng. Kênh MAC chung đường lên: R-CMCH-Control Đây là kênh logic đƣờng lên đƣợc MS sử dụng và dịch vụ số liệu đƣợc truyền đến MS khi nó ở trạng thái chờ. Kênh logic này đƣợc sử dụng để mang các bản tin MAC và đƣợc chia sẻ cho một nhóm di động với ý nghĩa truy nhập đến kênh này. Kênh MAC chung đường xuống F-CMCH-Control Kênh này đƣợc sử dụng bởi BTS ở dịch vụ số liệu trong trạng thái ngủ/rỗi.Kênh logic này đƣợc sử dụng để mang các bản tin MAC. Kênh báo hiệu riêng DSCH Kênh này mang số liệu báo hiệu riêng cho các lớp cao cho một BS Kênh báo hiệu chung CSCH Kênh này mang báo hiệu số liệu lớp cao với truy nhập chung cho nhiều MS 2.2.6. Kỹ thuật trải phổ và mã trải phổ Kỹ thuật điều chế trải phổ này hay còn đƣợc gọi tắt là kỹ thuật trải phổ là một kỹ thuật thông tin vô tuyến dùng giải thông truyền dẫn lớn hơn gấp nhiều lần so với dải thông của thông tin hay tốc độ số liệu của một thuê bao bất kỳ. Một hệ thống ứng dụng kỹ thuật trải phổ đƣợc gọi là một hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thỏa mãn đủ 3 yếu tố sau: Tín hiệu sau trải phổ chiếm 1 độ rộng băng tần ruyền dẫn lớn hơn nhiều băng tần truyền dẫn tối thiểu cần thiết để truyền thông tin đi. Trải phổ đƣợc thực hiện nhờ tín hiệu trải phổ và thƣờng đƣợc gọi là mã trải phổ, mã trải phổ này đƣợc độc lập với dữ liệu. 39
Tại phía thu, việc nén phổ nhằm khôi phục lại tín hiệu ban đầu đƣợc thực hiện nhờ tƣơng quan giữa tín hiệu thu đƣợc với bản sao đồng bộ mã trải phổ đƣợc sử dụng ở phía phát. Tuy nhiên có một số kỹ thuật điều chế và giải điều chế sử dụng băng tần truyền dẫn lớn hơn độ rộng băng tối thiểu cần thiết để truyền dữ liệu ban đầu. Song không phải là điều chế trải phổ do không thỏa mãn cả 3 yêu cầu trên chẳng hạn nhƣ: điều tần, điều chễ xung mã dẫn tới tăng độ rộng băng truyền nhƣng không thỏa mãn yêu cầu 1, 2 nên cũng ko phải là kỹ thuật trải phổ. Các ưu điểm của hệ thống trải phổ: Có 3 ƣu điểm chính nổi bật là Khả năng triệt nhiễu Nhiễu là tín hiệu có hại tác động xấu đến tín hiệu mong muốn. Nhiễu có rất nhiều loại nhƣ nhiễu xung, nhiễu liên tục, nhiễu trắng, nhiễu cộng .trong đó có nhiễu tạp âm trắng có năng lƣợng phân bố đều khắp thang tần số nên năng lƣợng tổng cộng của nó là rất lớn. Tuy nhiên chỉ có các thành phần phổ nằm trong không gian phổ tín hiệu mới ảnh hƣởng xấu tới chất lƣợng truyền dẫn do đó việc truyền dẫn vẫn đạt hiệu quả. Đối với các loại nhiễu dải hẹp cùng lọt vào máy thu với tín hiệu có ích thì thông qua việc giải điều chế trải phổ tại nơi thu mà nó bị suy yếu đi. Điều này là do các tín hiệu nhiễu này tuy đƣợc thu cùng với tín hiệu có ích nhƣng chúng ko có đƣợc sự tƣơng quan cần thiết cho việc giải trải phổ. Do dó thông qua việc giải trải phổ, phổ của nhiễu sẽ bị trải ra và mật độ năng lƣợng cũng bị giảm đi nhiều. Trong khi đó phổ của tín hiệu có ích sau khi giải trải phổ mật độ sẽ đƣợc khôi phục Đối với nhiễu công Gaussian thì hệ thống trải phổ không thể cải thiện đƣợc chất lƣợng truyền dẫn. Tạp âm trắng luôn tồn tại ngay cả khi đã trải phổ. Ngoài ra còn nhiễu cùng kênh do các MS sử dụng chung băng tần, tín hiệu của MS này lại là nhiễu đối với tín hiệu MS khác. Do có sự đồng bộ chính xác giữa các mã trải phổ phía phát và phía thu nên hệ thống có thể khắc phục đƣợc loại nhiễu này. Để đối phó với nhiễu phá, hệ thống trải phổ không dùng toàn bộ các tọa độ trực giao có thể kết nối thông tin mà chỉ dùng một tập con trong đó. Nếu 40
tín hiệu có bề rộng phổ W, thời gian tồn tại là T thì số phân lƣợng phổ là 2WT. Một phân lƣợng phổ tƣơng ứng với một ô vuông có một chiều dài là một đơn vị thời gian, và một chiều là đƣơn vị bề rộng phổ. Tín hiệu trải phổ có bề rộng càng lớn thì số tọa độ trực giao càng lớn và nhiễu phá càng khó có thể xác định đƣợc tập con nào đang đƣợc sử dụng để gây nhiễu. Giảm được mật độ năng lượng Trong hệ thống trải phổ, do tín hiệu trƣớc khi truyền đi đƣợc trải phổ thành tín hiệu có phổ lớn hơn nhiều so với tín hiệu gốc cần truyền nên công suất trung bình của tín hiệu đƣợc trải đều và giảm nhỏ trên toàn bộ miền trải phổ. Với đặc điểm này thì hệ thống trải phổ có một ƣu điểm rất lớn là: Tín hiệu truyền đi rất khó bị phát hiện do có mật độ thấp, tín hiệu truyền đi đƣợc chìm trong nền tạp âm, điều này làm cho các đối tƣợng khác khó có thể nghe trộm tín hiệu, đồng thời làm giảm can nhiễu cho các máy thu khác. Đây là cơ sở để xây dựng hệ thống thông tin có tính bảo mật cao. Đa truy nhập theo mã CDMA CDMA là phƣơng thức đa truy nhập phân chia theo mã nhờ kỹ thuật trải phổ. Do hiệu quả nén tạp âm rất cao nên mỗi ngƣời sử dụng đƣợc chỉ định một mã trải phổ duy nhất ( mỗi mã trải phổ tƣơng ứng với một kênh thông tin độc lập) dễ dàng phân biệt với những ngƣời sử dụng khác cùng phát đi đồng thời và trong cùng một băng tần. Nhƣ vậy hệ thống CDMA có hiệu suất sử dụng băng tần rất cao và có dung lƣợng lớn. Phƣơng pháp trải phổ tín hiệu sử dụng mã trải phổ băng rộng điều chế tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu gọi là trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS). Trong phƣơng pháp này mã trải phổ trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế, trong các phƣơng pháp trải phổ khác mã trải phổ không trực tiếp tham gia vào quá trình điều chế mà sử dụng để điều chế nhƣ dùng để điều khiển tần số hay thời gian truyền dẫn tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi dữ liệu. Có hai kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp dùng trong CDMA 2000 là: DS- BPSK và DS-QPSK. 2.2.6.1. Trải phổ dãy tực tiếp sử dụng phương pháp điều chế BPSK Phƣơng pháp này sử dụng hai lần điều chế, lần điều chế thứ nhất điều chế dữ liệu theo phƣơng pháp điều chế số thông thƣờng, lần điều chế thứ hai sử dụng điều chế dịch pha nhị phân BPSK nhƣ ghép trải phổ, điều đó có nghĩa 41
là lần điều chế thứ hai ngƣời ta sử dụng mã trải phổ điều chế tín hiệu sóng mang đã đƣợc điều chế bởi tín hiệu (ở lần điều chế thứ nhất) theo kiểu BPSK. 2.2.6.2. Trải phổ dãy trực tiếp sử dụng phương pháp điều chế QPSK Điều chế pha 4 mức QPSK sử dụng nguyên lý 2 bit thành một ký hiệu và đƣợc mô tả bằng một trạng thái pha của sóng mang, nhƣ thế với cùng một độ rộng băng truyền dẫn sử dụng phƣơng pháp điều chế pha QPSK có tốc độ bit truyền dẫn đạt đƣợc gấp 2 lần so với trƣờng hợp điều chế pha BPSK. 2.2.7. Kiến trúc mạng CDMA 2000 R L H SMS-SC Mạng điện thoại công cộng BSC MSC Bức Router Router tƣờng lửa Internet PDSN BSC AAA Mạng số liệu riêng/công cộng HA Hình 2.8. Sơ đồ kiến trúc mạng CDMA 2000 2.2.7.1. Nút phục vụ số liệu gói PDSN PDSN (Packet Data Serving Node) là một phần tử mới liên quan đến hệ thống CDMA 2000. Đây là một phần tử quan trọng để xử lý các dịch vụ gói. PDSN có nhiệm vụ hỗ trợ các dịch vụ gói và thực hiện các chức năng sau: Thiết lập, duy trì và kết cuối các phiên của giao thức điểm đến điểm (PPP: Point – to – Point Protocol) Hỗ trợ các dịch vụ gói đơn giản và IP. Thiết lập, duy trì và kết thúc các liên kết logic với mạng vô tuyến (RN) và giao diện vô tuyến gói (R-P) 42
Khởi đầu, nhận thực, trao quyền và thanh toán (AAA) đến AAA Server cho khách hàng di động. Tiếp nhận các thông số dịch vụ từ AAA Server cho khách hàng di động. Định tuyến các gói đến và từ các mạng số liệu ngoài. Thu thập số liệu sử dụng để chuyển đến AAA. Tổng dung lƣợng của PDSN đƣợc xác định bằng thông lƣợng và số phiên PPP đƣợc phục vụ. Cần lƣu ý rằng dung lƣợng chỉ là một khía cạnh của quá trình định cỡ và cần phải lƣu ý đến yếu tố tin cậy của toàn mạng trong quá trình định cỡ. 2. 2.7.2. Nhận thực, Trao quyền và Thanh toán (AAA) AAA Server là một phần tử mới liên quan đến CDMA 2000. AAA cung cấp chức năng nhận thực, trao quyền và thanh toán cho mạng số liệu gói của CDMA 2000 và sử dụng giao thức RADIUS (Remote Access Dial-In User Service). AAA chỉ liên lạc với PDSN qua mạng IP và thực hiện chức năng chính ở mạng CDMA 2000 nhƣ sau: Nhận thực liên quan đến kết nối PPP và MIP Trao quyền (lý lịch dịch vụ, phân phối khóa bảo an và quản lý) Thanh toán 2.2.7.3. Tác nhân nhà HA HA là phần tử chính thứ ba của mạng dịch vụ gói trong hệ thống CDMA 2000, nó tuân theo tiêu chuẩn IS-853. HA thực hiện nhiều nhiệm vụ liên quan đến theo dõi vị trí của thuê bao MIP khi thuê bao này chuyển động từ một vùng chuyển mạch gói này đến vùng chuyển mạch gói khác. Trong quá trình theo dõi máy di động, HA đảm bảo rằng các gói đƣợc chuyển đúng đến máy di động. 2.2.7.4. Router Router có chức năng định tuyến các gói đến và từ các phần tử mạng khác nhau trong hệ thống CDMA 2000. Router cũng có nhiệm vụ gửi và nhận các gói đến và từ các mạng khác. Bức tƣờng lửa để duy trì bảo mật khi nối với các ứng dụng số liệu của mạng khác. 43
2.2.7.5. Bộ ghi định vị thường trú HLR HLR để lƣu giữ thông tin thuê bao giống nhƣ ở thế hệ 2, ngoài ra nó cũng lƣu giữ thông tin liên quan đến việc đƣa vào các dịch vụ gói. HLR thực hiện nhiệm vụ đối với dịch vụ gói cũng giống nhƣ đối với các dịch vụ thoại. Nó lƣu giữ các tùy chọn dịch vụ số liệu gói và các khả năng của đầu cuối cùng với các thông tin về dịch vụ thoại. Thông tin dịch vụ đƣợc HLR nạp xuống bộ ghi định vị tạm trú VLR của MSC liên quan trong quá trình đăng ký thành công. 2.2.7.6. Trạm thu phát gốc BTS BTS chịu trách nhiệm các tài nguyên gồm tần số, công suất và mã định kênh (Walsh) cho thuê bao. BTS chứa các thiết bị vô tuyến để phát và thu các tín hiệu CDMA 2000. BTS giao diện với mạng CDMA 2000 và thiết bị của ngƣời sử dụng UE. BTS điều khiển tính năng của hệ thống liên quan đến hoạt động của mạng. 2.2.7.7. Bộ điều khiển trạm gốc BSC. BSC chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ các BTS trong vùng quản lý của mình. BSC định tuyến các gói đến và từ PDSN. Ngoài ra, BSC định tuyến lƣu lƣợng ghép kênh theo thời gian đến chuyển mạch kênh MSC. 2.3. KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT MẠNG 3G Mạng thông tin di động 3G lúc đầu sẽ là mạng kết hợp giữa các vùng chuyển mạch gói (PS) và chuyển mạch kênh (CS) để truyền số liệu gói và tiếng. Các trung tâm chuyển mạch gói sẽ là các chuyển mạch sử dụng công nghệ ATM. Trên đƣờng phát triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần đƣợc thay thế bằng chuyển mạch gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (nhƣ tiếng và video) cuối cùng sẽ đƣợc truyền đi trên cùng một môi trƣờng IP bằng các chuyển mạch gói. Hình vẽ dƣới đây là kiến trúc tổng quát của mạng 3G kết hợp cả CS và PS trong mạng lõi. 44
Điều khiển Thông tin Đầu cuối dịch vụ vị trí số liệu tiên tiến BS/ BTS/ nút B RNC Thiết bị Mạng báo hiệu SMS Internet Đầu cuối Server tiếng Internet Chức Chức năng CS năng CS Thiết Chức Chức bị năng PS năng CS cổng Thiết bị chuyển Thiết bị chuyển mạch nội hạt mạch cổng PSTN/PLMN Nút kết hợp CS và PS Hình 2.9. Cấu trúc chung mạng3G Các miền chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS) đƣợc thể hiện bằng một nhóm các đơn vị chức năng logic: trong thực tế các miền chức năng này đƣợc đặt vào các thiết bị và các nút vật lý. Chẳng hạn có thể thực hiện chức năng chuyển mạch kênh CS (MSC/GMSC) và chức năng chuyển mạch gói (SGSN/GGSN) trong một nút duy nhất để đƣợc một hệ thống tích hợp cho phép chuyển mạch và truyền dẫn các kiểu phƣơng tiện khác nhau: từ lƣu lƣợng tiếng đến lƣu lƣợng số liệu dung lƣợng lớn. 45
Chương 3. BẢO MẬT TRONG CÔNG NGHỆ 3G 3.1. AN NINH TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3.1.1. Tạo lập môi trường an ninh An ninh đầu cuối là sự đảm bảo cho truyền dẫn số liệu đƣợc an toàn, nguyên vẹn trên toàn bộ đƣờng truyền từ đầu phát đến đầu thu. Để đảm bảo đƣợc điều này, ta cần xét đến toàn bộ môi trƣờng truyền thông. Nó bao gồm truy nhập mạng; các phần tử trung gian và các ứng dụng máy khách. Có năm mục tiêu quan trọng và liên quan đến việc tạo lập môi trƣờng an ninh: 3.1.1.1. Nhận thực Nhận thực là quá trình kiểm tra tính hợp lệ của các đối tƣợng tham gia thông tin trong các mạng không dây. Quá trình này đƣợc thực hiện tại hai lớp: lớp mạng và lớp ứng dụng. Lớp mạng đòi hỏi ngƣời sử dụng phải đƣợc nhận thực, trƣớc khi đƣợc phép truy nhập. Lớp ứng dụng nhận thực quan trọng tại hai mức máy khách (Client) và máy chủ (Server). Để đƣợc truy nhập mạng Client phải chứng tỏ với Server rằng bản tin của nó phải hợp lệ. Đồng thời trƣớc khi Client cho phép một Server nối đến nó, Server phải tự mình nhận thực với ứng dụng Client. Cách nhận thực đơn giản nhất kém an toàn là sử dụng Username và Password. Một số phƣơng pháp tiên tiến hơn là sử dụng chứng nhận số (chữ ký điện tử). 3.1.1.2. Toàn vẹn số liệu Toàn vẹn số liệu là sự đảm bảo số liệu truyền thông không bị thay đổi hay phá hoại trong quá trình truyền từ nơi phát đến nơi thu. Bằng cách áp dụng một giải thuật cho bản tin, một mã nhận thực bản tin MAC (MAC: Message Authentication Codes ) đƣợc gõ bở ngƣời sử dụng của một may tính cho các tài khoản truy cập hoặc cổng thông tin. Mã này đƣợc đính kèm vào tin nhắn hoặc yêu cầu gửi của ngƣời dùng. Nếu chúng giống nhau thì chứng tỏ bản tin gốc không bị thay đổi, nếu nó khác nhau thì phía thu sẽ loại bỏ bản tin này.MAC thƣờng đƣợc sử dụng trong các quỹ giao dịch chuyển điện tử (EFTs) để duyu trì tính toàn vẹn thông tin. 46
3.1.1.3. Bảo mật Bảo mật là một khía cạnh rất quan trọng của an ninh và vì thế thƣờng đƣợc nói đến nhiều nhất. Mục đích của nó là để đảm bảo tính riêng tƣ của số liệu làm cho dữ liệu không thể đọc đƣợc bởi bát cứ ai, ngoại trừ những ai đƣợc cho phép đọc. Cách phổ biến nhất đƣợc sử dụng là mật mã hóa số liệu. Quá trình này bao gồm mã hóa bản tin vào dạng không đọc đƣợc đối với bất kỳ máy thu nào, ngoại trừ máy thu chủ định. 3.1.1.4. Trao quyền Trao quyền là quá trình quy định mức độ truy nhập của ngƣời sử dụng, ngƣời sử dụng đƣợc quyền thực hiện một số hành động. Trao quyền liên quan mật thiết với nhận thực. Một khi ngƣời sử dụng đã đƣợc nhận thực, hệ thống có thể quyết định ngƣời sử dụng đƣợc làm gì. Dành sách điều khiển truy cập ACL thƣờng đƣợc sử dụng cho quá trình này, đối với một hệ thống tập tin máy tính, là một danh sách các quyền gắn liền với một đối tƣợng. ACL quy định cụ thể mà ngƣời dùng hay các quy trình hệ thống đƣợc cấp quyền truy cập vào các đối tƣợng, cũng những gì đƣợc phép hoạt động trên các đối tƣợng nhất định. Mỗi mục trong một ACL điển hình quy định cụ thể một chủ đề và hoạt động một. Ví dụ, một ngƣời sử dụng chỉ có thể truy nhập để đọc một tập tin số liệu. Trong khi đó nhà quản lý hoặc một nguồn tin cậy khác có thể truy nhập để viết, sửa chữa tập tin số liệu đó. 3.1.1.5. Cấm từ chối Cấm từ chối là biện pháp buộc các phía phải chịu trách nhiệm về giao dịch mà chúng đã tham gia, không đƣợc phép từ chối tham gia giao dịch. Điều này có nghĩa là cả bên phát và bên thu đều có thể chứng minh răng phía đã phát bản tin, phía thu đã thu đƣợc bản tin tƣơng tự. Để thực hiện quá trình này, mỗi giao dịch phải đƣợc ký bằng một chữ ký điện tử và đƣợc phía thứ ba tin cậy kiểm tra và đánh dấu thời gian. 3.1.2. Các đe dọa an ninh Muốn đƣa ra các giải pháp an ninh, trƣớc hết ta cần nhận biết các đe dọa tiềm ẩn có nguy hại đến an ninh của hện thống thông tin. Sau đây là các đe dọa an ninh. 47
3.1.2.1. Đóng giả Là ý định cảu kẻ truy nhập trái phép vào một ứng dụng hoặc một hệ thống bằng cách đóng giả ngƣời khác. Nếu kẻ đóng giả truy hập thành công, họ có thể tạo ra các câu trả lời giả dối với các bản tin để đạt đƣợc hiểu biết sâu hơn và truy nhập vào các bộ phận khác của hệ thống. Đóng giả là vấn đề chính đối với an ninh Internet và vô tuyến Internet, kẻ đóng giả có thể làm cho ngƣời sử dụng chính thông tin rằng mình đang thông tin với một nguôn tin cậy. Điều này vô cùng nguy hiểm, vì thế ngƣời sử dụng này có thể cung cấp thông tin bổ sung có lợi cho kẻ tấn công để chúng có thể truy nhập thành công các bộ phận khác của hệ thống. 3.1.2.2. Giám sát Mục đích của giám sát là theo dõi, giám sát dòng số liệu trên mạng. Trong khi giám sát có thể đƣợc sử dụng cho các mục đích đúng đắn, thì nó lại thƣờng đƣợc sử dụng để sao chép trái phép số liệu mạng. Thực chất giám sát là nghe trộm điện tử, bằng cách này kẻ không đƣợc phép truy nhập có thể lấy đƣợc các thông tin nhậy cảm gây hại cho ngƣời sử dụng, các ứng dụng và các hệ thống. Giám sát thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp với đóng giả. Giám sát rất nguy hiểm vì nó dễ thực hiện nhƣng khó phát hiện. Để chống lại các công cụ giám sát tinh vi, mật mã hóa số liệu là phƣơng pháp hữu hiêu nhất. Dù kẻ sử dụng trái phép có truy nhập thành công vào số liệu đã đƣợc mật mã nhƣng cũng không thể giải mật mã đƣợc số liệu này. Vì vậy, ta cần đảm bảo rằng giao thức mật mã đƣợc sử dụng hầu nhƣ không thể bị phá vỡ. 3.1.2.3. Làm giả Làm giả số liệu hay còn gọi là đe dọa tính toàn vẹn liên quan đến việc thay đổi số liệu so với dạng ban đầu với ý đồ xấu. Quá trình này liên quan đến cả chặn truyền số liệu lẫn các số liệu đƣợc lƣu trên các Server hay Client. Số liệu bị làm giả (thay đổi) sau đó đƣợc truyền đi nhƣ bản gốc. Áp dụng mật mã hóa, nhận thực và trao quyền là các cách hữu hiệu để chống lại sự làm giả số liệu. 3.1.2.4. Ăn cắp Ăn cắp thiết bị là vấn đề thƣờng xảy ra đối với thông tin di động. Ta không chỉ mất thiết bị mà còn mất cả thông tin bí mật lƣu trong đó. Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với các Client thông minh, vì chúng thƣờng chứa số 48
liệu không đổi và bí mật. tính toán của các thiết bị di động khác có chứa ít nhất một số dữ liệu kinh doanh, chẳng hạn nhƣ danh sách liên lạc, mật khẩu tài khoản, mật e-mail và file đính kèm Một 2005 Nokia nghiên cứu cho thấy 21% nhân viên Mỹ thực hiện PDA và 63% mang theo điện thoại di động sử dụng cho kinh doanh Trong khi những thiết bị này đang ngày càng đƣợc kết nối tốt, họ là phần lớn không có bảo đảm và có thể gây ra rủi ro đáng kể cho mạng lƣới kinh doanh và dữ liệu.Giảm đƣợc rủi ro đó bắt đầu với việc thành lập một chính sách an ninh thông tin rằng thỏa thuận với cả hai nhân viên mua và công ty sở hữu các thiết bị di động. Vì thế, ta cần tuân thủ theo các quy tắc sau để đảm bảo an ninh đối với các thiết bị di động: Khóa thiết bị bằng Usernam và Password để chống lại truy nhập dễ dàng Yêu cầu nhận thực khi truy nhập đến các ứng dụng lƣu trong thiết bị Tuyệt đối không lƣu mật khẩu trên thiết bị Mật mã tất cả các phƣơng tiện lƣu số liệu cố định Áp dụng các chính sách an ninh đối với những ngƣời sử dụng di dộng Nhận thực, mật mã và các chính sách an ninh là các biện pháp để ngăn chặn việc truy nhập trái phép số liệu từ các thiết bị di động bị mất hoặc bị lấy cắp. 3.1.3. Các công nghệ an ninh 3.1.3.1. Công nghệ mật mã Mục đích chính của mật mã là đảm bảo thông tin giữa hai đối tƣợng trên kênh thông tin khong an ninh, để đối tƣợng thứ ba không thể hiểu đƣợc thông tin đƣợc truyền là gì. Thoạt nhìn có vẻ mật mã là khái niệm đơn giản, nhƣng thực chất nó rất phức tạp, nhất là với các mạng di động băng rộng nhƣ 3G UMTS Các giải pháp và giao thức Công nghệ mật mã hoạt động trên nhiều mức, mức thấp nhất là các giải thuật mật mã. Các giải thuật mật mã trình bày các bƣớc cần thiết để thực hiện một tính toán, thƣờng là chuyển đổi số liệu từ một khuôn dạng này vào khuôn dạng khác. Giao thức lại đƣợc xây dựng trên giải thuật này, giao thức mô tả 49
toàn bộ quá trình thực hiện các hoạt động của công nghệ mật mã. Một giải thuật mật mã tuyệt hảo không nhất thiết đƣợc coi là giao thức mạnh. Giao thức chịu trách nhiệm cho cả mật mã số liệu lẫn truyền số liệu và trao đổi khóa. Đỉnh của giao thức là ứng dụng, một giao thức mạnh chƣa thể đảm bảo an ninh vững chắc. Vì bản thân ứng dụng có thể dẫn đến vấn đề khác, vì thế để tạo ra một giải pháp an ninh cần một giao thức mạnh cũng nhƣ thực hiện ứng dụng bền chắc. Mật mã hóa số liệu Nền tảng của mọi hệ thống mật mã là mật mã hóa. Quá trình này đƣợc thực hiện nhƣ sau: tập số liệu thông thƣờng (văn bản thô) đƣợc biến đổi về dạng không thể đọc đƣợc (văn bản đã mật mã). Mật mã cho phép ta đảm bảo tính riêng tƣ của số liệu nhạy cảm, ngay cả khi những kẻ không đƣợc phép truy nhập thành công vào mạng. Cách duy nhất có thể đọc đƣợc số liệu là giải mật mã. Các giải thuật hiện đại sử dụng các khóa để điều khiển mật mã và giải mật mã số liệu. Một khi bản tin đã đƣợc mật mã, ngƣời sử dụng tại đầu thu có thể dùng mã tƣơng ứng để giải mật mã, các giải thuật sử dụng khóa mật mã gồm hai loại: Đối xứng và bất đối xứng. 3.1.3.2. Các giải thuật đối xứng Các giải thuật đối xứng sử dụng khóa duy nhất cho cả mật mã hóa lẫn giải mật mã hóa tất cả các bản tin. Phía phát sử dụng khóa để mật mã hóa bản tin, sau đó gửi nó đến phía thu xác định. Sau khi nhận đƣợc bản tin phía thu sử dụng chính khóa này để giải mật mã. Giải thuật này chỉ làm việc tốt khi có cách an toàn để trao đổi khóa giữa bên phát và bên thu. Rất tiếc là phần lớn vấn đề xảy ra khi trao đổi khóa giữa hai bên. Trao đổi khóa là một vấn đề mà bản thân mật mã hóa đối xứng không thể tự giải quyết đƣợc, nếu không có phƣơng pháp trao đổi khóa an toàn. Mật mã hóa đối xứng còn đƣợc gọi là mật mã hóa bằng khóa bí mật, dạng phổ biến nhất của phƣơng pháp này là tiêu chuẩn mật mã hóa số liệu (DES) đƣợc phát triển từ những năm 1970. Từ đó đến nay, nhiều dạng mật mã hóa đối xứng an ninh đã đƣợc phát triển, đứng đầu trong số chúng là tiêu chuẩn mật mã hóa tiên tiến (AES) dựa trên giải thuật Rijindael, DES 3 lần, giải thuật mật mã hóa số liệu quốc tế (IDEA), Blowfish và họ các giải thuật của Rivert (RC2, RC4, RC5, RC6). Để giải thích mật mã hóa đối xứng ta xét quá trình mật mã cơ sở sau: 50
Hình 3.1. Minh họa cơ chế cơ sở của mật mã bằng khóa duy nhất. Luồng số liệu (văn bản thô) sử dụng khóa riêng duy nhất (một luồng số liệu khác) thực hiện phép tính cộng để tạo ra luồng số liệu thứ ba (văn bản đã đƣợc mật mã). Sau đó văn bản này đƣợc gửi qua kênh thông tin để đến bên thu. Sau khi thu đƣợc bản tin, phía thu sử dụng khóa chia sẻ (giống khóa bên phát) để giải mật mã (biến đổi ngƣợc) và đƣợc văn bản gốc. Phƣơng pháp trên có một số nhƣợc điểm: trƣớc hết không thực tế khi khóa phải có độ dài bằng độ dài số liệu, mặc dù khóa càng dài càng cho tính an ninh cao và càng khó mở khóa. Thông thƣờng các khóa ngắn đƣợc sử dụng (64 hoặc 128bit) và chúng đƣợc lặp lại nhiều lần cho số liệu. Các phép toán phức tạp hơn có thể đƣợc sử dụng vì phép cộng không đủ để đảm bảo. Tiêu chuẩn mật mã hóa số liệu (DES) thƣờng đƣợc sử dụng, mặc dù không phải là đảm bảo nhất. Nhƣợc điểm thứ hai là phía phát và phía thu đều sử dụng một khóa chung (khóa chia sẻ). Vậy làm thế nào để gửi khóa này một cách an toàn từ phía phát đến phía thu. Phải chăng điều này có nghĩa rằng cấu tạo ra một khóa riêng duy nhất và chuyển đến đối tác cần thông tin? Phần mật mã hóa khóa công khai sẽ trả lời cho cầu hỏi này. 51
3.1.3.3. Các giải thuật bất đối xứng Các giải thuật bất đối xứng giải quyết vấn đề chính xảy ra đối với các hệ thống khóa đối xứng. Năm 1975, Whitfield Diffie và Martin Hellman đã phát triển một giải pháp, trong đó hai khóa liên quan với nhau đƣợc sử dụng, một đƣợc sử dụng để mật mã hóa (khóa công khai) và một đƣợc sử dụng để giải mật mã hóa (khóa riêng). Khóa thứ nhất đƣợc phân phối rộng rãi trên các đƣờng truyền không an ninh cho mục đích sử dụng công khai. Khóa thứ hai không bao giờ đƣợc truyền trên mạng và nó chỉ đƣợc sử dụng bởi phía đối tác cần giải mật mã số liệu. Hai khóa này liên hệ với nhau một cách phức tạp bằng cách sử dụng rất nhiều số nguyên tố và các hàm một chiều. Kỹ thuật này dẫn đến không thể tính toán đƣợc khóa riêng dựa trên khóa công khai. Khóa càng dài thì càng khó phá vỡ hệ thống. Các hệ thống khóa 64bit nhƣ DES, có thể bị tấn công rễ ràng bằng cách tìm từng tổ hợp khóa đơn cho đến khi tìm đƣợc khóa đúng. Các hệ thống khóa 128bit phổ biến hơn (ví dụ ECC đã đƣợc chứng nhận là không thể bị tấn công bằng cách thức nhƣ trên). Khóa riêng và khóa công khai đƣợc tạo lập bởi cùng một giải thuật (giải thuật thông dụng là RSA_ giải thuật mật mã của 3 đồng tác giả Ron Rivest, Adi Shamir và Leonard Adelman). Ngƣời sử dụng giữ khóa riêng của mình và đƣa ra khóa công khai cho mọi ngƣời, khóa riêng không đƣợc chia sẻ cho một ngƣời nào khác hoặc truyền trên mạng. Có thể sử dụng khóa công khai để mật mã hóa số liệu, nhƣng nếu không biết khóa riêng thì không thể giải mật mã số liệu đƣợc. Sở dĩ nhƣ vậy là các phép toán đƣợc sử dụng trong kiểu mật mã này không đối xứng. Nếu User A muốn gửi số liệu đƣợc bảo vệ đến User B, User A sử dụng khóa công khai của User B để mật mã hóa số liệu và yên tâm rằng chỉ có User B mới có thể giải mật mã và đọc đƣợc số liệu này. Các kỹ thuật mật mã khóa riêng và khóa công khai là các công cụ chính để giải quyết các vấn đề an ninh. Tuy nhiên, chúng không phải là các giải pháp đầy đủ, cần nhận thực để chứng minh rằng nhận dạng là của các ngƣời sử dụng chân thật. Phần dƣới sẽ xét cách có thể sử dụng mật mã để giải quyết một số vấn đề an ninh cơ sở. Cũng có thể mật mã bản tin bằng khóa riêng và giải mật mã bằng khóa công khai, nhƣng để cho mục đích khác. Cách này có thể đƣợc sử dụng cho 52
các số liệu không nhậy cảm để chứng minh rằng phía mật mã đã thật sự truy nhập vào khóa riêng. Giải thuật khóa bất đối xứng nổi tiếng đầu tiên đƣợc đƣa ra bởi Ron Rivest, Adishamir và Leonard Adelman vào năm 1977 với tên gọi là RSA. Các giải thuật phổ biến khác bao gồm ECC và DH. RSA bị thất thế trong môi trƣờng di động do ECC rẻ tiền hơn xét về công suất xử lý và kích thƣớc khóa. Tuy nhiên, đây chƣa phải là các giải pháp hoàn hảo, chọn một khóa riêng không phải là việc dễ, nếu chọn không cẩn thận sẽ dễ dàng bị phá vỡ. Ngoài ra, các bộ mật mã hóa bất đối xứng cung cấp các giải pháp cho vấn đề phân phối khóa bằng cách sử dụng khóa công khai và khóa riêng. Do phức tạp hơn nên tính toán chậm hơn các bộ mật mã đối xứng. Đối với các tập số liệu lớn, đó sẽ là vấn đề không nhỏ. Trong các trƣờng hợp này việc kết hợp giữa các hệ thống đối xứng và bất đối xứng là một giải pháp lý tƣởng. Sự kết hợp này cho ta ƣu điểm về hiệu năng cao hơn các giải thuật đối xứng bằng cách gửi đi khóa bí mật trên các kênh an ninh, dựa trên cơ sở sử dụng các hệ thống khóa công khai. Sau khi cả hai phía đã có khóa bí mật chung, quá trình tiếp theo sẽ sử dụng các giải thuật khóa đối xứng để mật mã và giải mật mã. Đây là nguyên lý cơ sở của công nghệ mật mã khóa công khai đƣợc sử dụng trong nhiều giao diện hiện nay. 3.1.3.4. Nhận thực Dựa vào đâu mà một ngƣời sử dụng có thể tin chắc rằng họ đang thông tin với bạn của mình chứ không bị mắc lừa bởi ngƣời khác? Nhận thực có thể giải quyết bằng sử dụng mật mã hóa khóa công khai. Một ví dụ đơn giản: Bản thân bạn là ngƣời đƣợc cấp cho 2 khóa điện tử khóa 1 (public key) và khóa 2( private key). Bạn phải giữ gìn khóa 2 cẩn thận nhƣ giữa chiếc chìa khóa xe của mình. Khi có một ngƣời dùng khóa 1 để mã hóa một bức thƣ rồi gửi cho bạn, bạn phải dung khóa 2 để giải mã thì mới đọc đƣợc bức thƣ này. Đồng nghiệp hay ngƣời thân của bạn dù có biết bức thƣ này cũng chịu vì không tài nào giải mã đƣợc. Dùng khóa 2, cùng với một phần mềm phù hợp, bạn có thể ký tên lên một văn bản hay tập tin dữ liệu nào đó. Chữ ký điện tử này tƣơng tự nhƣ một con tem độc nhất vô nhị dán lên văn bản, khó có thể giả mạo đƣợc. Ngoài ra, chữ ký còn đảm bảo phác giác đƣợc bất kỳ sự thay đổi nào trên dữ liệu đã đƣợc “ký”. Để ký lên một văn bản, phần 53
mềm ký tên của bạn sẽ nghiền dữ liệu để “túm lại” bằng một vài dòng, đƣợc gọi là thông báo tóm tắt, bằng một tiến trình đƣợc gọi là “kỹ thuật băm”, rồi tạo thành chữ ký điện tử. Cuối cùng, phần mềm ký tên của bạn sẽ gắn chữ ký điện tử này vào văn bản. Khi bạn gửi văn bản đã ký tên này đến cho một đồng nghiệp thì anh ta dùng khóa 1 giải mã chữ ký ngƣợc trở lại thành một thông báo tóm tắt để biết có phải chính bạn đã ký tên váo văn bản này hay không. Đồng thời anh ta cũng dùng phần mềm của mình tạo một thông báo tóm tắt từ dữ liệu trên văn bản và so sánh với thông báo tóm tắt do bạn tạo ra. Nếu hai thông báo tóm tắt này giống nhau tức là dữ liệu trên văn bản là toàn vẹn, không bị thay đổi bởi ngƣời khác. 3.1.3.5. Các chữ ký điện tử và tóm tắt bản tin Chữ ký điện tử đƣợc sử dụng để kiểm tra xem bản tin nhận đƣợc có phải là từ phía phát hợp lệ hay không? Nó dựa trên nguyên tắc chỉ ngƣời tạo ra chữ ký mới có khóa riêng và có thể kiểm tra khóa này bằng khóa công khai. Chữ ký điện tử đƣợc tạo ra bằng cách tính toán tóm tắt bản tin gốc thành bản tin tóm tắt (MD). Sau đó, MD đƣợc kết hợp với thông tin của ngƣời ký, nhãn thời gian và thông tin cần thiết khác. MD là một hàm nhận số liệu đầu vào có kích cỡ bất kỳ và tạo ra ở đầu ra một kích cỡ cố định (vì thế đƣợc gọi là tóm tắt, digest). Tập thông tin này, sau đó đƣợc mật mã hóa bằng khóa riêng của phía phát và sử dụng các giải thuật bất đối xứng. Khối thông tin nhận đƣợc sau mật mã hóa đƣợc gọi là khóa điện tử. Do MD là một hàm nên nó cũng thể hiện phần nào trạng thái hiện thời của bản tin gốc. Nếu bản tin gốc thay đổi thì MD cũng thay đổi. Bằng cách kết hợp MD vào chữ ký điện tử, phía thu có thể dễ dàng phát hiện bản tin gốc có bị thay đổi kể từ khi chữ ký điện tử đƣợc tạo hay không. Sau đây, ta xét quá trình sử dụng các digest (tóm tắt) bản tin để tạo các chữ ký điện tử. Sau đây, ta xét quá trình sử dụng các digest (tóm tắt) bản tin để tạo các chữ ký điện tử. 54
User A User B Tạo ra 128bit digest (từ bản tin gốc) Mật mã (digest) bằng khóa riêng A Gửi bản tin gốc, digest đƣợc mật mã Giải mật mã (digest) bằng mã khóa công khai của A Tạo ra 128 bit (digest) từ bản tin gốc So sánh digest Hình 3.2. Quá trình sử dụng tóm tắt bản tin để cung cấp các chữ ký điện tử User A tạo ra một digest từ bản tin gốc, digest thực ra là một xâu có độ dài cố định đƣợc tạo ra từ một đoạn có độ dài bất kỳ của bản tin gốc. Rất khó để hai bản tin có cùng một digest, nhất là khi digest có độ dài ngắn nhất là 128bit. Các giải thuật thƣờng đƣợc sử dụng để tạo ra một digest là MD5, thuật toán rối an ninh (SHA). Quá trình tạo ra một digest và mật mã nó bằng khóa riêng A nhanh hơn rất nhiều so với mật mã toàn bộ bản tin. Sau đó, User A gửi đi bản tin gốc và digest đƣợc mật mã đến User B, sau khi nhận đƣợc bản tin User B có thể sử dụng khóa công khai của User A để giải mật mã digest, đồng thời User B cũng tạo ra một digest từ văn bản gốc và so sánh hai xâu bit này với nhau. Nếu hai digest giống nhau thì User B có thể tin tƣởng rằng bản tin văn bản gốc không bị phá rối trên đƣờng truyền. Vấn đề chính của quá trình xét ở trên là ta phải giả thiết rằng User B có khóa công khai hợp lệ với User A. Nhƣng bằng cách nào mà User B biết đƣợc đã nhận đƣợc khóa công khai hợp lệ? làm cách nào mà ngƣời sử dụng biết rằng email cùng với khóa công khai thực sự là của nhà quản lý ngân hàng? Để giải quyết các vấn đề trên ý tƣởng sử dụng các chứng chỉ số đã ra đời. Cơ quan cấp chứng chỉ là một tổ chức phát hành các giấy ủy nhiệm điện tử và 55