Bảo mật dữ liệu đầu vào cho mạng 3G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN THÀNH LONG










BẢO MẬT DỮ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MẠNG 3G

LUẬN VĂN THẠC SĨ










Hà Nội - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





NGUYỄN THÀNH LONG






BẢO MẬT DỮ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MẠNG 3G

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SĨ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN









Hà Nội – 2010

1
MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5
MỞ ĐẦU 10

CHƢƠNG 1: KIẾN TRÚC MẠNG UMTS 12
1.1. Tổng quan lịch sử phát triển mạng thông tin di động tế bào 12
1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 13
1.1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 13
1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 15
1.2. Hệ thống thông tin di động 3G UMTS 16
1.2.1. Định nghĩa UMTS 16
1.2.2. Lịch sử phát triển UMTS 16
1.2.3. Đặc trưng của mạng UMTS 17
1.2.4. Chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, các loại lưu lượng và dịch vụ được 3G
UMTS hỗ trợ 18
1.2.4.1. Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch) 18
1.2.4.2. Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch) 19
1.2.4.3. Các lưu lượng và dịch vụ được 3G UMTS hỗ trợ 20
1.2.5. Kiến trúc mạng UMTS 21
1.2.5.1. Thiết bị người sử dụng 22
1.2.5.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN) 23
1.2.5.3. Mạng lõi UMTS 26
1.2.5.4. Các giao diện trong mạng 29
1.2.5.5. Các mạng ngoài 30
1.3. Kết luận chƣơng 30
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT BẢO MẬT TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 31
2.1. Các đe dọa an ninh 31
2.1.1. Đóng giả 31
2.1.2. Giám sát 31
2.1.3. Làm giả 32
2.1.4. Ăn cắp 32
2.2. Tạo lập một môi trƣờng an ninh 32
2.2.1. Nhận thực 32
2.2.2. Toàn vẹn số liệu 33

2.2.3. Bảo mật 33
2.2.4. Trao quyền 33
2.2.5. Cấm từ chối 33
2
2.3. Các thuật toán mật mã hóa dữ liệu 34
2.3.1. Công nghệ mật mã 34
2.3.2. Các giải thuật đối xứng 34
2.3.3. Các giải thuật không đối xứng 36
2.3.4. Hashing - Hàm làm rối 37
2.3.5. Nhận thực 38
2.3.6. Các chữ ký điện tử và tóm tắt bản tin 39
2.3.7. Các chứng chỉ số 40
2.3.8. Hạ tầng khóa công khai PKI 41
2.3.9. Nhận thực bằng bản tin nhận thực 43
2.4. An ninh giao thức vô tuyến 44
2.4.1. An ninh lớp truyền tải vô tuyến (WTLS) 44
2.4.2. Lỗ hổng WAP 45
2.4.3. WAP 2.x 46
2.5. Mô hình an ninh tổng quát của một hệ thống thông tin di động 46
2.6. An ninh trong GSM 47
2.6.1. Các đặc điểm an ninh của GSM 47
2.6.1.1. Xác thực chủ thể thuê bao 47
2.6.1.2. Mã hóa cuộc gọi 49
2.6.1.3. Bảo vệ định danh thuê bao 49
2.6.2. Các hạn chế về an ninh trong GSM 49
2.6.2.1. Bảo mật bằng tính bất khả định 49
2.6.2.2. Chính sách mã hóa có thể bị thay đổi 50
2.6.3. Tấn công bảo mật GSM 50
2.6.3.1. Một số sự kiện bảo mật GSM 50
2.6.3.2. Tấn công ăn cắp, nhân bản SIM 50

2.6.3.3. Tấn công nghe lén cuộc gọi bằng thủ thuật người đứng giữa 52
2.6.3.4. Tấn công nghe lén bằng thủ thuật giải mã thuật toán A5 52
2.6.3.5. Tấn công giả mạo CALL-ID và giả mạo người gửi tin nhắn SMS 52
2.6.3.6. Tấn công spam SMS, virus SMS 53
2.6.3.6. Các phần mềm gián điệp trên điện thoại di động 53
2.7. Kết luận chƣơng 53
CHƢƠNG 3: AN NINH TRONG MẠNG UMTS 54
3.1. Các nguyên lý của an ninh UMTS 54
3.2. Cơ sở nguyên lý của an ninh UMTS thế hệ 3 54
3.3. Điểm yếu của GSM so với UMTS 55
3.4. Lĩnh vực nâng cao an ninh đối với UMTS 56
3.5. Các lĩnh vực an ninh của UMTS 56
3.5.1. An ninh truy nhập mạng 57
3.5.2. An ninh lĩnh vực mạng 57
3
3.5.3. An ninh lĩnh vực người sử dụng 57
3.5.4. An ninh lĩnh vực ứng dụng 58
3.6. Các cơ chế an ninh trong UMTS 58
3.7. Nhận thực và thoả thuận khoá (AKA) 58
3.7.1. Tổng quan về nhận thực và thoả thuận khoá 59
3.7.2. Thủ tục AKA thông thường 60
3.7.3. Thủ tục AKA trong HLR/AuC 61
3.7.4. Thủ tục AKA trong USIM 62
3.7.5. Thủ tục AKA trong VLR/SGSN 62
3.7.6. USIM từ chối trả lời 63
3.8. Thủ tục đồng bộ lại 63
3.8.2. Thủ tục đồng bộ lại trong AuC 65
3.8.3. Thủ tục đồng bộ lại trong VLR/SGSN 65
3.8.4. Sử dụng lại các AV 65
3.8.5. Xử lý các cuộc gọi khẩn 65

3.9. Các hàm mật mã 66
3.9.1. Yêu cầu đối với các thuật toán và các hàm mật mã 66
3.9.2. Các hàm mật mã 66
3.9.3. Sử dụng các hàm bình thường để tạo ra AV trong AuC 67
3.9.4. Sử dụng các hàm bình thường để tạo ra các thông số an ninh trong USIM 68
3.9.5. Sử dụng các hàm để đồng bộ lại tại USIM 69
3.9.6. Sử dụng các hàm đồng bộ lại tại AuC 69
3.9.7. Thứ tự tạo khoá 70
3.9.8. Kích cỡ của các thông số nhận thực 70
3.9.9. Sử dụng hàm f9 để tính toán mã toàn vẹn 70
3.9.10. Sử dụng hàm mật mã f8 73
3.9.11. Thời hạn hiệu lực khoá 75
3.9.12. Các thuật toán KASUMI 75
3.10. Một số vấn đề về an ninh trong UMTS 75
3.10.1. Các đe doạ an ninh trong UMTS 75
3.10.2. Mã hoá tại giao diện vô tuyến 76
3.10.3. Các nút chứa các khoá 76
3.10.4. Bảo mật người sử dụng 76
3.10.5. Đe doạ an ninh do tấn công bằng cách phát lại 77
3.10.6. Truyền thông không an ninh trong mạng lõi 78
3.10.7. Độ dài khoá 78
3.10.8. Giấu tên tại các dịch vụ mức cao hơn 78
3.10.9. Mã hoá đầu cuối - đầu cuối 78
3.11. Kết luận chƣơng 79
CHƢƠNG 4: ƢỚC LƢỢNG AN NINH MẠNG UMTS 80
4.1. Mô mình giao thức an ninh mạng UMTS 80
4
4.1.1. Kiến trúc an ninh UMTS 80
4.1.2. Bảo mật truy cập mạng 81
4.1.2.1. Bảo mật nhận dạng người sử dụng 81

4.1.2.2. Nhận thực và thỏa thuận khóa 83
4.1.2.3. Bảo mật dữ liệu và bảo vệ toàn vẹn của tin nhắn báo hiệu 86
4.2. Chƣơng trình mô phỏng an ninh mạng UMTS 87
4.3. Kết luận chƣơng 91
KẾT LUẬN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤC LỤC 94
5
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
1G
1nd Generation
Thế hệ 1
2G
2nd Generation
Thế hệ 2
3G
3rd Generation
Thế hệ 3
3GPP
Third Generation Partnership
Project
Dự án đối tác thế hệ thứ 3
A
ACL
Access Control Lists
Danh sách điều khiển truy nhập

ADS
Application Domain Security
An ninh miền ứng dụng
AES
Advanced Encyption Standard
Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến
AK
Anonymity Key
Khoá nặc danh
AKA
Authentication and Key
Argreement
Nhận thực và thống nhất khoá
AMF
Authentication Management Field
Trường quản lý nhận thực
AMPS
Advanced Mobile Phone System
Hệ thống điện thoại tiên tiến
ALC
Access Control List
Danh sách điều khiển đa truy
nhập
ANSI
American National Standards
Institude
Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ
API
Application Program Interface
Giao diện chương trình ứng

dụng
ASPECT
Advanced Security for Personal
Communications Technology
An ninh cải tiến cho công nghệ
truyền thông cá nhân
AuC
Authentication Center
Trung tâm nhận thực
AUTN
Authentication token
Thẻ nhận thực mạng
AV
Authentication Vector
Véc tơ nhận thực
B


BS
Base Station
Trạm gốc
BSS
Base Statiom Subsystem
Phân hệ trạm gốc
BSSGP
Base station system GPRS protocol
Giao thức GPRS hệ thống trạm
gốc
BTS
Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc
C


CA
Certificate Authority
Thẩm quyền chứng nhận
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CLR
Certificate Revocation Lists
Danh sách huỷ bỏ chứng nhận
CM
Connection Management
Quản lý kết nối
6
CN
Core Network
Mạng lõi
CRNC
Control RNC
RNC điều khiển
CS
Circuit Switching
Chuyển mạch kênh
D


DES

Data Encyption Standard
Tiêu chuẩn mật mã hoá số liệu
DNS
Domain Name System
Hệ thống tên miền
DRNC
Drift Radio Network Controller
RNC trôi
E


ECC
Elliptic Curve Cryptography
Một loại giải thuật mật mã hóa
EDGE
Enhanced Data Rates for GSM
Evolution
Nâng cao tốc độ dữ liệu cho
mạng GSM
EIR
Equipment Identity Register
Đăng ký nhận dạng thuê bao
ETSI
European Telecommunications
Standards Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông châu
Âu
ESP
Encapsulating Security Payload
Tải tin an ninh đóng bao

F


FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
FEC
Forward Error correction
Chuyển tiếp sửa lỗi
FER
Frame Error Rate
Tỷ lệ lỗi khung
FTP
File Transfer Protocol
Giao thức truyền file
G


GGSN
Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ cổng GPRS
GMSC
Gateway MSC
MSC cổng

GSM
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
GPRS
General Packet Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
GTP
GPRS Tunnel Protocol
Giao thức đường hầm GPRS
H


HE
Home Environment
Môi trường nhà
HLR
Home Location Register
Bộ ghi định vị thường trú
HSCSD
High Speed Circuit-Switched Data
Dữ liệu chuyển mạch tồc độ cao
HSDPA
High-Speed Downlink Packet
Access
Gói đường truyền tốc độ cao
HTTP
Hypertext Transfer Protocol
Giao thức chuyển giao siêu văn

bản
I


7
IDEA
International Data Encryption
Algorithms
Giải thuật mật mã hóa số liệu
quốc tế
IK
Integrity key
Khoá toàn vẹn
IMAP
Internet Message Access Protocol
Giao thức truy nhập bản tin
Internet
IMEI
International Mobile Equipment
Indentifier
Nhận dạng thiết bị di động Quốc
tế
IMS
IP Multimedia CN Subsystem
Hệ thống con mạng lõi đa
phương tiện IP
IMSI
International Mobile Subscriber
Identity
Số nhận dạng thuê bao di động

quốc tế
IP
Internet Protocol
Giao thức Internet
IPSec
Internet Protocol Security
An ninh IP
ISDN
Integrated Services Digital
Network
Mạng số tích hợp nhiều dịch vụ
ITU
International Telecommunications
Union
Liên minh viễn thông Quốc tế
M
MAC
Message authentication code
Mã nhận thực bản tin
MAC-A
MAC used for authentication and
key agreement
MAC sử dụng để nhận thực và
thống nhất khoá
MAC-I
Mac used for data integrity of
signalling messages
MAC sử dụng để bảo vệ tính
toàn vẹn số liệu báo hiệu
MAP

Mobile Application Part
Phần ứng dụng di động
MCC
Mobile Country Code
Mã di động quốc gia
MCS
Modulation and Coding Schemes
Mức mã hóa và điều chế
MD
Message Degest
Tóm tắt bản tin
MIP
Mobile IP
IP di động
MITM
Man In The Middle

Tấn công giả mạo (người đứng
giữa)
ME
Mobile Equipment
Thiết bị di động
MNC
Mobile Network Code
Mã mạng di động
MoU
Memorandum of Understanding
Biên bản ghi nhớ
MS
Mobile Station

Trạm di động
MSC
Mobile Switching Centre
Trung tâm chuyển mạch di động
MSIN
Mobile Station Identification
Number
Số nhận dạng trạm di động
MTP
Message Transfer Protocol
Giao thức truyền bản tin
N


NAS
Network Access Security
An ninh truy nhập mạng
8
NDS
Network Domain Security
An ninh miền mạng
P
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PCS
Personal Communications Service
Dịch vụ liên lạc cá nhân
PDC
Personal Digital Communications

Truyền thông số cá nhân
PIN
Personal Identification Code
Mã nhận dạng cá nhân
PKI
Public Key Infrastructure
Cơ sở hạ tầng khoá công cộng
PS
Packet Switching
Chuyển mạch gói
PLMN
Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công
cộng
R
RNS
Radio Network System
Hệ thống mạng vô tuyến
RNC
Radio Network Controller
Bộ điều khiển mạng vô tuyến
S
SAD
Security Association Database
Cơ sở dữ liệu liên kết an ninh
SGSN
Serving GPRS Support Node
Node hỗ trợ GPRS phục vụ
SIM
GSM Subscriber Identity Module

Môdun nhận dạng thuê bao
GSM
SMS
Short Message Services
Dịch vụ tin nhắn ngắn
SHA
Secure Hash Algorithm
Giải thuật băm an toàn
SQN
Sequence Number
Số trình tự
SSL
Secure Sockets Layer
Lớp ổ cắm an toàn
T


TACS
Total Access Communication
Systems
Hệ thống truyền thông truy
nhập toàn cầu
TDM
Time Division Multiplexing
Phân chia theo thời gian
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
TD-

SCDMA
Time Division Synchoronous
Code Division Multiple Acces
Phân chi thời gian, phân chia
mã đồng bộ đa truy nhập
TMSI
Tempoary Mobile Subscriber
Identity
Số nhận dạng thuê bao di động
tạm thời
TLS
Transport Layer Security
An ninh lớp truyền tải
U
UDS
User Domain Security
An ninh miền người sử dụng
UE
User Equipment
Thiết bị người sử dụng
UICC
Universal Integrated Circuit Card
Thẻ mạch tích hợp toàn cầu
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
9
USIM

Universal Subscriber Identity
Module
Mô đun nhận dạng thuê bao
toàn cầu
UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Mạng truy cập vô tuyến mặt đất
UMTS
V
VC
Virtual Channel
Kênh ảo
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi định vị tạm trú
VP
Virtual Path
Đường dẫn ảo
VoIP
Voice Over Internet Protocol
Truyền giọng nói trên giao thức
Internet
W
WAP
Wireless Application Protocol
Giao thức ứng dụng vô tuyến
WAPsec
WAP Security
An ninh WAP

WCDMA
Wideband Code Division
Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
băng rộng
WTLS
Wireless Transport Layer Security

An ninh lớp truyền tải vô tuyến
X
XRES
EXpected user RESponse
Đáp ứng người sử dụng mong
đợi

10
MỞ ĐẦU

Từ cuối thế kỷ 20 đến những năm đầu thế kỷ 21, ngành công nghiệp viễn thông
đã có những bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến và di động.
Ở Việt Nam trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông nói chung và
thông tin di động nói riêng đã có những bước phát triển vượt bậc. Từ chỗ có hai nhà
cung cấp dịch vụ di động, cho đến nay đã có bẩy nhà cung cấp dịch vụ di động. Cùng
với đó, số lượng thuê bao di động không ngừng tăng lên, yêu cầu của khách hàng sử
dụng dịch vụ di động cũng ngày một cao hơn. Điện thoại di động giờ đây không chỉ để
dùng để nghe gọi như trước nữa, mà nó đã trở thành một đầu cuối di động với đầy đủ
các tính năng để phục vụ mọi nhu cầu của con người. Bằng chiếc điện thoại của mình
người sử dụng có thể giải trí, truy cập dữ liệu phục vụ việc học hành, nghiên cứu hay
giao lưu, học hỏi, không những thế người sử dụng còn có thể dùng nó để thực hiện các
giao dịch kinh doanh, giao dịch ngân hàng trực tuyến,… với tốc độ cao không thua

kém gì các mạng có dây.

Sự phát triển của các công nghệ mới kéo theo là rất nhiều dịch vụ tiện ích mới
ra đời đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Trong đó phải kể đến các dịch
vụ truyền bản tin như email, SMS, EMS, MMS, IM… đã góp phần không nhỏ trong
việc nâng cao các ứng dụng hiện có, đồng thời đưa ra một phương tiện truyền tin mới
khi cần có thể thay thế cho các cuộc gọi thoại truyền thống vốn không phải lúc nào
cũng tiện lợi mà cước phí lại cao.

Để những điều nêu trên trở thành hiện thực, các nhà cung cấp dịch vụ di động
tại Việt Nam đã và đang cho ra mắt khách hàng viễn thông hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ ba (3G).

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 người dùng truyền trong môi trường vô tuyến có thể bị tấn công hay bị nghe
trộm bởi người khác, các dịch vụ của nhà nhà cung cấp có thể bị đánh cắp hay bị phá
hoại. Điều này gây thiệt hại lớn cả về kinh tế và chất lượng dịch vụ cho cả người 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 nhận thực và bảo mật cho thông tin vô tuyến và di động để bảo
vệ quyền lợi của người dùng và lợi ích của chính bản thân các nhà cung cấp.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, em đã chọn nghiên cứu đề tài: “Bảo mật dữ liệu
đầu vào cho mạng 3G” làm luận văn tốt nghiệp. Em hy vọng tìm hiểu về vấn đề an
ninh trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba, cụ thể là mạng UMTS cũng như
các giải pháp để bảo mật và bảo vệ toàn vẹn thông tin của người sử dụng khi được
truyền trong hệ thống.
11

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

- Chƣơng 1: Kiến trúc mạng UMTS. Nội dung của chương này đề cập đến lộ
trình phát triển của hệ thống thông tin di động, các đặc điểm, loại hình dịch vụ mà hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ ba cung cấp. Phần cuối chương có đề cập đến các
cấu trúc của hệ thống 3G UMTS.
- Chƣơng 2: Tổng quan về kỹ thuật bảo mật trong thông tin di động. Nội
dung của chương đề cập đến các đe dọa an ninh đối với hệ thống thông tin di động và
các giải pháp để đảm bảo an toàn thông tin trong các hệ thống thông tin di động. Cuối
chương có đề cập đến an ninh trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai.
- Chƣơng 3: An ninh trong mạng UMTS. Đây là phần nội dung chính của
quyển đồ án. Nội dung đề cập đến các nguyên lý cơ bản để xây dựng một kiến trúc an
ninh cho hệ thống 3G UMTS. Các biện pháp cụ thể để bảo vệ an toàn thông tin khi
truyền trên giao diện vô tuyến của hệ thống. Tìm hiểu cụ thể quá trình nhận thực và
thỏa thuận khóa AKA, các hàm mật mã được sử dụng và các thông số nhận thực liên
quan, một số vấn đề an ninh trong mạng UMTS.
- Chƣơng 4: Ƣớc lƣợng an ninh trong mạng UMTS. Phần này trình bày về
mô phỏng thuật toán nhận thực và thỏa thuận khóa AKA.

Do hạn chế về kinh nghiệm, trình độ nghiên cứu và thời gian có hạn nên luận văn
tốt nghiệp của em chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
được thầy, cô và các bạn góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn.

Luận văn này thực hiện trong khuôn khổ đề tài QG-10.40.


Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

HỌC VIÊN

Nguyễn Thành Long

12
CHƢƠNG 1:
KIẾN TRÚC MẠNG UMTS

1.1. Tổng quan lịch sử phát triển mạng thông tin di động tế bào

Thông tin di động bắt đầu từ những năm 1920, khi các cơ quan an ninh của Mỹ
bắt đầu sử dụng điện thoại vô tuyến, dù chỉ là ở các căn cứ thí nghiệm. Công nghệ vào
thời điểm đó đã có những thành công nhất định trên các chuyến tàu hàng hải, nhưng nó
vẫn chưa thực sự thích hợp cho thông tin trên bộ. Các thiết bị còn khá cồng kềnh và
công nghệ vô tuyến vẫn còn gặp khó khăn khi đối diện với những toà nhà lớn ở thành
phố.

Vào năm 1930, đã có một bước tiến xa hơn với sự phát triển của điều chế FM,
được sử dụng ở chiến trường trong suốt thế chiến thứ hai. Sự phát triển này kéo dài
đến cả thời bình, và các dịch vụ di động bắt đầu xuất hiện vào những năm 1940 ở một
số thành phố lớn. Tuy vậy, dung lượng của các hệ thống đó rất hạn chế, và phải mất
nhiều năm thông tin di động mới trở thành một sản phẩm thương mại. Đến nay hệ
thống thông tin di động tế bào đã có ba thế hệ: thứ nhất (1G); thứ hai (2G) và thứ ba
(3G).

NMT
(900)
TACS
GSM (900)
AMPS
cdma2000
Mx

WCDMA
SMR
GSM (1800)
GSM (1900)
IS-136
TDMA (800)
IS-95
CDMA (800)
IS-136
(1900)
IS-95
(J-STD-008)
(1900)
GPRS
iDEN (800)
GPRS
EDGE
cdma2000
1x
1G
2G
2.5G 3G


Hình 1.1: Quá trình phát triển của các nền tảng thông tin di động từ 1G đến 3G.

13
1.1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Thế hệ điện thoại di động đầu tiên ra đời trên thị trường vào những năm 70 và

80 của thế kỷ 20. Đấy là những điện thoại tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế radio
gần giống như kỹ thuật dùng trong radio FM.

Các hệ thống 1G đảm bảo truyền dẫn tương tự dựa trên công nghệ ghép kênh
phân chia theo tần số (FDM) với kết nối mạng lõi dựa trên công nghệ ghép kênh phân
chia theo thời gian (TDM). Ví dụ điển hình cho hệ thống này là hệ thống điện thoại di
động tiên tiến (AMPS) được sử dụng trên toàn nước Mỹ và hệ thống điện thoại di
động Bắc Âu (NMT). Thông thường các công nghệ 1G được triển khai tại một nước
hoặc nhóm các nước, không được tiêu chuẩn hóa bởi các cơ quan tiêu chuẩn quốc tế
và không có mục đích dành cho sử dụng quốc tế. Trong thế hệ điện thoại này, các cuộc
thoại không được bảo mật.

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

Khác với 1G, các hệ thống 2G được thiết kế để triển khai cho mục đích sử
dụng quốc tế. Thiết kế 2G nhấn mạnh hơn về tính tương thích, khả năng chuyển mạng
phức tạp và sử dụng truyền dẫn tiếng số hóa trên giao diện vô tuyến. Ví dụ điển hình
về các hệ thống 2G là: GSM và cdmaOne (dựa trên tiêu chuẩn TIA IS-95).

Thế hệ thứ hai 2G của mạng di động chính thức ra mắt trên chuẩn GSM của Hà
Lan, do Công ty Radiolinja (Nay là một bộ phận của Elisa) triển khai vào năm
1991.Lịch sử ra đời và phát triển của mạng thông tin di động GSM (2G):
- Năm 1986: CEPT lập nhiều vùng thử nghiệm tại Paris để lựa chọn công nghệ
truyền phát. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân
chia tần số (FDMA) đã được lựa chọn. Hai kỹ thuật trên đã được kết hợp để tạo nên
công nghệ phát cho GSM. Các nhà khai thác của 12 nước Châu Âu đã cùng ký bản ghi
nhớ (MoU) quyết tâm giới thiệu GSM vào năm 1991.
- Năm 1988: CEPT bắt đầu xây dựng đặc tả GSM cho giai đoạn hiện thực; thêm
5 nước gia nhập MoU.
- Năm 1991: Chuẩn GSM 1800 đã được công bố. Thống nhất cho phép các

nước ngoài CEPT được quyền tham gia bản MoU.
- Năm 1992: Đặc tả giai đoạn 1 hoàn tất. Mạng GSM giai đoạn 1 thương mại
đầu tiên được công bố. Thỏa thuận chuyển vùng (roaming) quốc tế đầu tiên giữa
Telecom Finland và Vodafone (Anh) được ký kết.
- Năm 1994: MoU có hơn 100 tổ chức tại 60 nước cùng tham gia, nhiều mạng
GMS ra đời và tổng số thuê bao lên đến con số 3 triệu.
- Năm 1995: Đặc tả cho Dịch vụ Liên lạc Cá nhân (PCS-Personal
Communications Service) được phát triển tại Mỹ, đây là một phiên bản GSM hoạt
14
động trên tần số 1900MHz. GSM tiếp tục phát triển nhanh tăng thêm 10.000 thuê bao
mỗi ngày.
- Năm 1998: MoU có 253 thành viên trên 100 nước và có trên 70 triệu thuê bao
trên toàn cầu, chiếm 31% thị trường di động thế giới.
- Tháng 6/2002: Hiệp hội GSM có 600 thành viên, đạt 709 triệu thuê bao
(chiếm 71% thị trường di động số) trên 173 quốc gia.
- Năm 2001, để tăng thông đường truyền phục vụ nhu cầu truyền thông tin
(không phải thoại) trên mạng di động, GPRS đã ra đời (đôi khi được xem như thế hệ
2.5G). Tốc độ truyền dữa liệu của GSM chỉ bằng 9.6Kbps. GPRS đã cải tiến tốc độ
truyền tăng lên gấp 3 lần tương đương với 20-30Kbps, cho phép phát triển dịch vụ
WAP và internet (email) tốc độ thấp.
- Năm tiếp theo, 2003, EDGE đã ra đời với khả năng cung ứng tốc độ lên được
250 Kbps (trên lý thuyết). EDGE còn được biết đến như là 2.75G (trên con đường tiến
tới 3G).

Ba lợi ích chủ yếu của mạng 2G là:

 Những cuộc gọi di động được mã hóa kĩ thuật số;
 Cho phép tăng hiệu quả kết nối các thiết bị;
 Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động - khởi
đầu là tin nhắn SMS.

Những công nghệ 2G được chia làm hai dòng chuẩn: TDMA và CDMA, tùy
thuộc vào hình thức ghép kênh được sử dụng. Các chuẩn công nghệ chủ yếu của 2G
bao gồm:
- GSM (thuộc TDMA) có nguồn gốc từ châu Âu nhưng đã được sử dụng trên tất
cả các quốc gia ở 6 lục địa. Ngày nay, công nghệ GSM vẫn còn được sử dụng với 80%
số lượng điện thoại di động trên thế giới.
- IS-95 còn gọi là AKA CDMAOne (thuộc CDMA, thường được gọi ngắn gọn
là CDMA tại Mỹ) được sử dụng chủ yếu ở Châu Mỹ và một số vùng thuộc Châu Á.
Ngày nay, những thuê bao sử dụng chuẩn này chiếm khoảng 17% trên toàn thế giới.
Hiện tại, ở các nước Mexico, Ấn Độ, Úc và Hàn Quốc có rất nhiều nhà cung cấp mạng
CDMA chuyển sang cung cấp mạng GSM.
- PDC (thuộc TDMA) là mạng tư nhân, được Nextel sử dụng tại Mỹ và Telus
Mobility triển khai ở Canada.
- IS-136 aka D-AMPS (thuộc TDMA và thường được gọi tắt là TDMA tại Mỹ)
đã từng là mạng lớn nhất trên thị trường Mỹ nay cũng đã chuyển sang GSM.

Thuận lợi và khó khăn của 2G:

Ở công nghệ 2G tín hiệu kĩ thuật số được sử dụng để trao đổi giữa điện thoại và
các tháp phát sóng, làm tăng hiệu quả trên 2 phương diện chính:
15
a) Dữ liệu số thoại có thể được nén và ghép kênh hiệu quả hơn so với mã hóa
Analog nhờ sử dụng nhiều hình thức mã hóa, cho phép nhiều cuộc gọi cùng
được mã hóa trên một dải băng tần.
b) Hệ thống kĩ thuật số được thiết kế giảm bớt năng lượng sóng radio phát từ điện
thoại, nhờ vậy đầu cuối 2G nhỏ gọn hơn; đồng thời giảm chi phí đầu tư những
tháp phát sóng. Mạng 2G trở nên phổ biến cũng do triển khai một số dịch vụ dữ
liệu như Email và SMS; đồng thời mức độ bảo mật cá nhân cũng cao hơn.

Tuy nhiên, hệ thống mạng 2G cũng có những nhược điểm, ví dụ ở những nơi
dân cư thưa thớt, sóng kĩ thuật số yếu có thể không tới được các tháp phát sóng. Tại
những địa điểm như vậy chất lượng truyền sóng cũng như chất lượng cuộc gọi sẽ bị
giảm đáng kể.

Thế hệ di động 2,5G

2,5G chính là bước đệm chuyển đổi từ công nghệ 2G sang công nghệ 3G trong
công nghệ điện thoại không dây. Khái niệm 2,5G được dùng để miêu tả hệ thống di
động 2G có cả hệ thống chuyển mạch gói và lẫn chuyển mạch kênh truyền thống.

2,5G cung cấp một số lợi ích của mạng 3G (ví dụ chuyển mạch gói) dựa trên cơ
sở hạ tầng đang tồn tại của 2G trong các mạng GSM và CDMA. GPAS là công nghệ
được các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM sử dụng. Các giao thức như EDGE
cho GSM và CDMA 2000 1x-RTT cho CDMA có thể đạt chất lượng như các dịch vụ
3G (tốc độ truyền dữ liệu 144Kb/s) được xem như dịch vụ 2,5G bởi chậm hơn vài lần
so với dịch vụ 3G thật sự.

1.1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

Công nghệ thông tin di động số 3G này liên quan đến những cải tiến đang được
thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua
nhiều chuẩn. Đầu tiên là tăng tốc độ bit truyền từ 9.5Kbps lên 2Mbps. Khi số lượng
thiết bị cầm tay được thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có
được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này
sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và
multimedia đến các thiết bị đầu cuối di động.

Ngay từ những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu
hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu

chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đang
tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS. Hệ thống mới này sẽ làm
việc ở dải tần 2GHz, nó sẽ cung cấp các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ cao và video Tốc
độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2Mbps. Người ta cũng đang tiến hành
nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32Mbps.

16
Có thể coi một hệ thống thông tin di động là 3G nếu nó đáp ứng một số các yêu
cầu được liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đề ra sau đây:
 Hoạt động ở một trong số các tần số được ấn định cho dịch vụ 3G;
 Phải cung cấp các dịch vụ số liệu mới cho người sử dụng bao gồm cả đa
phương tiện, độc lập với công nghệ giao diện vô tuyến;
 Phải hỗ trợ truyền dẫn số liệu di động tại 144 Kbps cho những người sử dụng di
động tốc độ cao và truyền dẫn số liệu lên đến 2Mbps cho những người sử dụng
cố định hoặc di động tốc độ thấp;
 Phải cung cấp các dịch vụ số liệu gói (các dịch vụ không dựa trên kết nối
chuyển mạch kênh (CS) đến mạng số liệu dựa trên chuyển mạch gói (PS));
 Phải đảm bảo tính độc lập của mạng lưới với giao diện vô tuyến.

Một số hệ thống 2G đang tiến hóa đến các yêu cầu trên. Điều này dẫn đến một
hậu quả không mong muốn là làm sai lệch thuật ngữ "các thế hệ". Chẳng hạn, GSM
khi tăng cường thêm dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), nó trở nên phù hợp với
nhiều tiêu chuẩn 3G nhưng không hẳn là 2G hay 3G mà là loại "giữa các thế hệ". Vì
thế hệ thống GSM được tăng cường GPRS hiện nay được gọi là hệ thống 2,5G.

1.2. Hệ thống thông tin di động 3G UMTS

1.2.1. Định nghĩa UMTS

UMTS là hệ thống thông tin di động toàn cầu 3G sử dụng kỹ thuật trải phổ W-

CDMA và được chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP. UMTS được phát triển lên từ các nước
sử dụng GSM, sử dụng băng tầng khác với GSM và đảm bảo cả kết nối chuyển mạch
kênh lẫn chuyển mạch gói tốc độ cao (lên đến 10 Mbit/s khi sử dụng công nghệ
HSDPA kết hợp với MIMO).

UMTS được dự đoán sẽ là một giải pháp cho các dịch vụ di động toàn cầu với
khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng và rộng khắp bao gồm thoại, tin nhắn, internet và
dữ liệu băng thông rộng cho video và multimedia .

1.2.2. Lịch sử phát triển UMTS

Năm 1992 hội nghị vô tuyến quốc tế tổ chức tại Malaga đã lựa chọn tần số dành
cho hệ thống UMTS và được công nhận là bộ phận của IMT-2000, định nghĩa bởi
ITU. Năm 1995 nghiên cứu UMTS được bắt đầu và đến năm 1996 diễn đàn UMTS
được mở ra lần đầu tiên tại Zurich. Hiện tại các chỉ tiêu kỹ thuật được thực hiện bởi
3GPP.

Do sự đa dạng của các công nghệ di động mà các hướng phát triển lên thế hệ
thứ ba cũng khác nhau. Phổ biến đó là từ mạng CDMA lên CDMA 2000 1x rồi đến
CDMA 2000 3x và từ GSM lên UMTS như chỉ ra dưới đây
17



Hình 1.2: Lộ trình phát triển lên 3G

1.2.3. Đặc trƣng của mạng UMTS

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 UMTS tận dụng kiến trúc đã có trong hầu
hết các hệ thống thông tin di động thế hệ 2. Đặc điểm nổi bật nhất của mạng 3G là khả

năng hỗ trợ một lượng lớn các khách hàng trong việc truyền tải âm thanh và dữ liệu -
đặc biệt là ở các vùng đô thị - với tốc độ cao hơn và chi phí thấp hơn mạng 2G.

UMTS dùng công nghệ W-CDMA, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu về lí thuyết lên
đến 21Mbps. Hiện nay, tại đường xuống, tốc độ này chỉ có thể đạt 384 kbps (với đầu
cuối hỗ trợ chuẩn R99), hay 7.2Mbps (đầu cuối hỗ trợ HSPDA).

Từ năm 2006, mạng UMTS được nhiều quốc gia nâng cấp lên và được xem như
mạng 3.5G với chuẩn HSPDA cho phép tốc độ truyền đường xuống đạt 21Mbps. Hiện
tại, tốc độ truyền dữ liệu cao của UMTS thường dành để truy cập Internet. UMTS kết
hợp giao diện vô tuyến WCDMA, TD-CDMA, hay TD-SCDMA, các lõi ứng dụng di
động của GSM (MAP) và các chuẩn mã hóa thoại của GSM.

UMTS (W-CDMA) dùng các cặp kênh 5Mhz trong kỹ thuật truyền dẫn
UTRA/FDD. Băng tần ấn định cho UMTS là 1885-2025 MHz với đường lên và 2110-
2200 MHz cho đường xuống. [Ở Mỹ băng tần thay thế là 1710-1755 MHz và 2110-
2155 MHz do băng tần 1900MHz đã được dung].

Hệ thống 3G UMTS sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng
rộng (WCDMA). Các thông số nổi bật đặc trưng cho WCDMA như sau:
 WCDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
 WCDMA có tốc độ chip là 3,84 Mc/s (băng thông xấp xỉ 5MHz). Khoảng cách
giữa các sóng mang thực tế có thể được chọn trong khoảng từ 4,4MHz đến
5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang;
 WCDMA hỗ trợ các tốc độ dữ liệu người dùng khác nhau. Mỗi người sử dụng
được cấp các khung có độ rộng 10ms. Tuy nhiên dung lượng người sử dụng có
18
thể thay đổi giữa các khung. Việc cấp phát nhanh dung lượng vô tuyến thông
thường sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thông lượng tối ưu cho các
dịch vụ dữ liệu gói;

 WCDMA hỗ trợ hai mô hình hoạt động cơ bản. Chế độ song công phân chia
theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD). Trong chế độ
FDD, đường lên và đường xuống sử dụng các sóng mang 5MHz có tần số khác
nhau. Trong khi ở chế đố TDD, các đường lên và xuống sử dụng cùng tần số
nhưng ở các khoảng thời gian khác nhau;
 WCDMA hỗ trợ hoạt động của các trạm gốc dị bộ, nên không cần chuẩn thời
gian toàn cầu như ở hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Việc triển khai các trạm
gốc micro và trạm gốc indoor sẽ dễ dàng hơn khi nhận tín hiệu mà không cần
GPS;
 WCDMA áp dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp trên cả đường lên và đường
xuống dựa vào việc sử dụng kênh hoa tiêu;
 Giao diện vô tuyến WCDMA được xây dựng một cách khéo léo theo cách của
các bộ thu RAKE tiên tiến, có khả năng tách sóng của nhiều người dùng và các
anten thích ứng thông minh, giao diện vô tuyến có thể được triển khai bởi các
nhà điều khiển mạng như một hệ thống được chọn lựa để tăng dung lượng và
vùng phủ sóng.

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 đường phát
triển đến mạng toàn IP, chuyển mạch kênh sẽ dần được thay thế bằng chuyển mạch
gói. Các dịch vụ kể cả số liệu lẫn thời gian thực (như tiếng và video) cuối cùng sẽ
được truyền trên cùng một môi trường IP bằng các chuyển mạch gói.

1.2.4. Chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, các loại lƣu lƣợng và dịch vụ đƣợc
3G UMTS hỗ trợ

1.2.4.1. Chuyển mạch kênh (CS: Circuit Switch)

a. Chuyển mạch kênh

Thiết bị chuyển mạch sử dụng cho chuyển mạch kênh (CS) trong các tổng đài
của hệ thống 2G thực hiện chuyển mạch kênh trên cơ sở ghép kênh theo thời gian,
trong đó mỗi kênh có tốc độ 64Kb/s và vì thế phù hợp cho việc truyền các ứng dụng
làm việc tại tốc độ cố định 64Kb/s (chẳng hạn tiếng được mã hoá PCM).

b. Dịch vụ của chuyển mạch kênh:
Dịch vụ chuyển mạch kênh có thể được thực hiện trên chuyển mạch kênh (CS)
hoặc chuyển mạch gói (PS). Thông thường dịch vụ này được áp dụng cho các dịch vụ
thời gian thực (chủ yếu là dịch vụ thoại).

19
1.2.4.2. Chuyển mạch gói (PS: Packet Switch)

a. Chuyển mạch gói
Chuyển mạch gói cho phép nhóm tất cả các số liệu của nhiều kết nối khác nhau
phụ thuộc vào nội dung, kiểu hay cấu trúc số liệu thành các gói có kích thước phù hợp
và truyền chúng trên một kênh chia sẻ. Việc nhóm các số liệu cần truyền được thực
hiện bằng ghép kênh thống kê với ấn định tài nguyên động. Các công nghệ sử dụng
cho chuyển mạch gói có thể là Frame Relay, ATM hoặc IP.

b. Các dịch vụ của chuyển mạch gói
Dịch vụ chuyển mạch gói chỉ có thể được thực hiện trên chuyển mạch gói (PS).
Dịch vụ này rất phù hợp cho các dịch vụ phi thời gian thực (như số liệu). Tuy nhiên,
sự phát triển của công nghệ dịch vụ này cũng được áp dụng cho các dịch vụ thời gian
thực (như VoIP).


Hình 1.3: Chuyển mạch kênh (CS) và chuyển mạch gói (PS).

Chuyển mạch gói có thể thực hiện trên cơ sở ATM hoặc IP.

 Chuyển mạch (ATM): Với thiết bị chuyển mạch ATM cho phép chuyển mạch
nhanh trên cơ sở chuyển mạch phần cứng tham chuẩn theo thông tin định tuyến trong
tiêu đề mà không thực hiện phát hiện lỗi trong từng tế bào. Thông tin định tuyến trong
tiêu đề gồm: đường dẫn ảo (VP) và kênh ảo (VC). Điều khiển kết nối bằng VC (tương
ứng với kênh của người sử dụng) và VP (là một bó các VC) cho phép việc khai thác và
quản lý có khả năng mở rộng và có độ linh hoạt cao. Thông thường VP được thiết lập
trên cơ sở số liệu của hệ thống tại thời điểm xây dựng mạng. Việc sử dụng ATM trong
mạng lõi có nhiều ưu điểm: có thể quản lý lưu lượng kết hợp với RAN, cho phép thực
hiện các chức năng CS và PS trong cùng một kiến trúc và thực hiện khai thác cũng
như điều khiển chất lượng liên kết.
20
 Chuyển mạch IP: Mạng thông tin di động 3G băng rộng sử dụng các dịch vụ
Internet (với các giao thức TCP/IP). Do vị trí của đầu cuối di động thay đổi nên cần
phải có quá trịnh định vị, định tuyến theo vị trí hiện thời của MS. Có hai cơ chế để
thực hiện điều này: IP di động (MIP) và giao thức đường hầm GPRS (GTP). Tunnel là
một đường truyền mà tại đầu vào của nó gói IP được đóng bao vào một tiêu đề mang
địa chỉ nơi nhận (trong trường hợp này là địa chỉ hiện thời của máy di động) và tại đầu
ra gói IP được tháo bao bằng cách loại bỏ tiêu đề bọc ngoài.



Hình 1.4: Đóng bao và tháo bao cho gói IP trong quá trình truyền tunnel

Vì 3G UMTS được phát triển từ những năm 1999 khi mà ATM là công nghệ
chuyển mạch gói chủ đạo nên các tiêu chuẩn cũng được xây dựng trên công nghệ này.

1.2.4.3. Các lưu lượng và dịch vụ được 3G UMTS hỗ trợ

Mạng 3G UMTS hỗ trợ các dịch vụ tryền thông đa phương tiện vì thế mỗi kiểu
lưu lượng cần đảm bảo một mức QoS nhất định tuỳ theo ứng dụng của dịch vụ và

được phân loại như sau:
 Loại hội thoại (Conversational, rt): thông tin tương tác yêu cầu trễ nhỏ (ví dụ
như thoại);
 Loại luồng (Streaming, rt): thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ
nhỏ (ví dụ như phân phối truyền hình thời gian thực);
 Loại tương tác (Interactive, nrt): đòi hỏi trả lời trong một thời gian nhất định và
tỷ lệ lỗi thấp (ví dụ trình duyệt Web, truy nhập Server);
 Loại nền (Background, nrt): đòi hỏi các dịch vụ nỗ lực nhất được thực hiện trên
nền cơ sở (ví dụ E-mail, file tải xuống).

Môi trường hoạt động của 3G UMTS được chia thành bốn vùng với các tốc độ
bit (Rb) phục vụ như sau:
- Vùng 1: trong nhà, ô pico, R
b
≤ 2Mb/s;
- Vùng 2: thành phố, ô micro, R
b
≤ 384Kb/s;
- Vùng 2: ngoại ô, ô macro, R
b
≤ 144Kb/s;
- Vùng 4: Toàn cầu, R
b
= 12,2Kb/s.

21
Có thể tổng kết các dịch vụ do 3G UMTS cung cấp ở bảng 1.1.

Kiểu
Dịch vụ

Dịch vụ chi tiết
Dịch vụ di
động
Dịch vụ di động
Di động đầu cuối/cá nhân/dịch vụ
Dịch vụ thông tin định vị
Theo dõi đi động / Theo dõi đi động thông minh
Dịch vụ
viễn thông
Dịch vụ âm thanh
- Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64Kb/s)
- Dịch vụ truyền thanh AM (32 – 64Kb/s)
- Dịch vụ truyền thanh FM (64 – 384Kb/s)
Dịch vụ số liệu
- Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144Kb/s)
- Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao
(144Kb/s – 2Mb/s)
- Dịch vụ số liệu tốc độ cao (≥ 2Mb/s)
Dịch vụ
internet
Dịch vụ Internet đơn giản
Dịch vụ truy cập Web (384Kb/s - 2Mb/s)
Dịch vụ Internet thời gian
thực
Dịch vụ Internet (384Kb/s - 2Mb/s)
Dịch vụ internet đa
phương tiện
Dịch vụ Website đa phương tiện thời gian thực
(≥ 2Mb/s)

3G UMTS được xây dựng theo ba tiêu chuẩn R3, R4, R5. Trong đó mạng lõi
R3 và R4 bao gồm hai miền: miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói
(PS). Việc kết hợp này phù hợp cho giai đoạn đầu khi PS chưa đáp ứng tốt các dịch vụ
thời gian thực như thoại và hình ảnh do đó miền CS sẽ đảm nhiệm các dịch vụ thoại,
còn số liệu được truyền trên miền PS. R4 phát triển hơn R3 ở chỗ miền CS chuyển
sang chuyển mạch mềm vì thế toàn bộ mạng truyền tải giữa các nút chuyển mạch đều
trên IP.

1.2.5. Kiến trúc mạng UMTS

Một mạng UMTS gồm 3 phần:
A. Thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment) gồm 2 loại thiết bị:
 Đầu cuối di động (ME);
 Modul nhận dạng thuê bao (USIM).
B. Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) gồm các nút B và các hệ
thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System), mỗi RNS bao gồm bộ
điều khiển mạng vô tuyến (RNC: Radio Network Controller) và các BTS nối
với nó.
C. Mạng lõi (CN: Core Network)
 Chuyển mạch kênh (CS);
 Chuyển mạch gói (PS);
22
 Môi trường mạng (HE) gồm: AuC, HLR và EIR. Phần lõi chứa cơ sở dữ
liệu cho dữ liệu gồm SGSN, GGSN, cho thoại gồm MCS và GMSC.


Hình 1.5: Kiến trúc mạng UMTS
1.2.5.1. Thiết bị người sử dụng

 Thiết bị (UE) là đầu cuối mạng UMTS là phần hệ thống có số lượng thiết bị

nhiều nhất và ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng và dịch vụ khả dụng của công nghệ 3G.
Giá thành của UE giảm nhanh chóng nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến và cài đặt
trí tuệ của các thẻ thông minh (USIM).

Các chức năng chính của UE thường là:

i. Giao diện thẻ UICC chứa vi mạch nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) và có
thể thêm thẻ xác thực IMS.
ii. Chức năng đăng ký và hủy đăng ký mạng và dịch vụ;
iii. Chức năng cập nhật vị trí;
iv. Thực hiện các dịch vụ hướng kết nối và không kết nối;
v. Một số nhận dạng không thay đổi được - IMEI;
vi. Chức năng xác nhận các dịch vụ cơ bản;
vii. Hỗ trợ gọi khẩn cấp không cần USIM;
viii. Hỗ trợ thực thi các thuật toán mã hóa và nhận thực.

Bên cạnh đó UE còn có thể có thêm các chức năng do hãng cung cấp bao gồm:
- Một hay nhiều USIM và các thành phần ứng dụng tương ứng;
23
- Có thể có ISIM cho các dịch vụ IMS.

Đầu cuối di động cung cấp các chức năng ứng dụng người dùng như máy
trạm điều khiển cuộc gọi, mã hóa và quản lý phiên. Đầu cuối hỗ trợ 2 giao diện: Giao
diện U
u
là liên kết vô tuyến giữa UE với UTRAN (giao diện WCDMA), nó đảm nhiệm
toàn bộ kết nối vật lí với mạng UMTS; Giao diện C
u
giữa UICC với đầu cuối, giao
diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.

 USIM: Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký
thuê bao) cài cứng trên card. Nhưng trong 3G UMTS, USIM được cài như một ứng
dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều khóa điện tử
hơn phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau (ví dụ như mã điều khiển truy nhập, an
ninh giao dịch …). Ngoài ra còn có nhiều USIM còn để hỗ trợ truy nhập đến nhiều
mạng khác nhau.

USIM chứa các hàm và số liệu cần thiết để nhận dạng và nhận thực thuê bao
trong mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao lí lịch của thuê bao.Người nhận thực phải
tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Đđảm bảo tính riêng tư của
người sử dụng mạng UMTS.

1.2.5.2. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN)

Nhiệm vụ chính của UTRAN là tạo và duy trì các kênh truy nhập vô tuyến
(RAB) phục vụ cho liên lạc giữa người sử dụng (UE) và mạng lõi (CN). UTRAN sử
dụng công nghệ đa truy nhập băng thông rộng phân chia theo mã WCDMA.

Cấu trúc UTRAN:

Mạng vô tuyến mặt đất toàn cầu bao gồm các hệ thống mạng vô tuyến con
(RNS), mỗi RNS bao gồm nhiều trạm gốc (BS hay còn được gọi là Node B) và một hệ
thống quản lý mạng không dây. Các UE và BS giao tiếp thông qua giao diện U
u
trong
khi đó giữa các RNS có các giao diện Iu
r
và giữa BS và RNC được giao tiếp thông qua
giao diện Iu

b
(giao diện trên nền công nghệ truyền dẫn ATM).