CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Mạng thông tin di động GSM 1. Lịch sử phát triển Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, khởi đầu từ những năm 70 với các công nghệ tiêu biểu như AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại North American (1983), NTT tại Nhật (1977) và NMT (Nordic MobileTelephone) tại Europe (1983). + Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở châu Âu (CEPT – European Conference of Postal and Telecommunications and minsrations) thành lập 1 nhóm nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thông tin di động ở Châu Âu.
+ Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệu mạng GSM vào năm 1991. + Năm 1988, trụ sở chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI – European Telecommunications Standards Institute) được thành lập, có trách nhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European. + Ngày 01/07/1991ở Phần Lan (finland) cuộc gọi điện thoại GSM đầu tiên từ công viên Helsinki, đánh dấu GSM900 Phase 1 ở European. + Năm 1995 chuẩn GSM đã phát triển lên Phase 2.
Tập trung phát triển vào phát đàm thoại và những dịch vụ liên quan đến những cuộc gọi đàm thoại. + Năm 1998, 3GPP (the ThirdGeneration Partnershi) phát triển chuẩn GSM lên GPRS và EDGE Sự phát triển kỹ thuật từ FDMA – 1G, 2G – là kết hợp PDMA và TDMA, 3g – CDMA. Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 11 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động 1. Giới thiệu mạng di động GSM Hệ thống GSM làm việc trong 1 băng tần hẹp, dài tần cơ bản từ (890- 960 MHz).
Băng tần chia làm 2 phần: • Uplink band từ (890 – 915) MHz • Dowlink ban từ (935 – 960) MHz Băng tần bao gồm 124 sóng mang được chia làm 2 băng, mỗi băng rộng 25MHz, khoảng cách giữa 2 sóng mang kề nhau là 200KHz. Mỗi kênh sử dụng 2 tần số riêng biệt cho 2 đường lên và xuống gọi là kênh song công. Khoảng cách giữa 2 tần số là không đổi bằng 45MHz. Mỗi kênh vô tuyến mang 8 khe thời gian TDMA và mỗi khe thời gian là 1 kênh vật lý trao đổi thông tin giữa MS và mạng GSM.
125 kênh tần số được đánh từ 0 đến 124 được gọi là kênh tần số tuyệt đối ARFCN (Absolue Radio Frequency Channel Number).2MHz)*n Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz Với 1 <= n <=1 24 Cấu trúc của 2 kênh vật lý và kênh logic: - Các kênh vật lý là 1 khe thời gian ở một tần số vô tuyến dành để truyền tải thông tin ở đường vô tuyến của GSM. Mỗi một kênh tần số vô tuyến được tổ chức thành các khung TDMA dài 4.62ms gồm có 8 khe thời gian ( một khe dài 577 ms). - Các kênh logic được đặc trưng bởi thông tin truyền giữa BTS và MS. Các kênh logic này được đặt vào kênh vật lý nói trên.
Có thể chia các kênh logic gồm 2 loại kênh: các kênh lưu lượng (TCH) và các kênh báo hiệu điều khiển. Các thành phần của hệ thống. PLMN theo chuẩn GSM được chia làm 3 phân hệ: Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 12 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động • Phân hệ chuyển mạch: NSS ( Network Switching Subsytem): MSC, HLR, VLR, AuC, EIR • Phân hệ vô tuyến: RSS = BSS +MS (RSS – Radio SubSystem) MS = ME + SIM: trong sim chứa các số nhận dạng IMSI, TMSI: số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI. BSS = TRAU + BSC + BTS : BSS kết nối với NSS qua cổng PCM cơ sở 2Mbps • Phân hệ vận hành và bảo dưỡng (khai thác) – OMS (Operation and Maintenance SubSystem) phân hệ khai thác thực hiện 3 chức năng chính: Khai thác và bảo dưỡng mạng, Quản lý thuê bao và tính cước, quản lý thiết bị di động.
Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 13 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động A. Phân hệ vô tuyến BSS ( Base staion System) có chức năng cung cấp đường truyền giữa MS với tổng đài MSC. BSS trao đổi thông tin với MS trên giao diện vô tuyến Um và với MSC (SGSN) bằng các tuyến truyền dẫn 2Mbps qua giao diện A(Gb) : BSS + BTS + TRAU (TCE) BSC ( Base Station Controller) điều khiển 1 vài Cell (1 vài BTS) và quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao (handover).
Trong thực tế BSC là 1 tổng đài nhỏ có vai trò quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao. BSC phải thực hiện vài chức năng: - Ước lượng báo hiệu giữa MS và tổng đài ( mạng lõi –CN). - Performing gaging in a group of cells for every mobile terminating call (MTC). - Quản lý tài nguyên vô tuyến đối với mỗi BTS.
- Chuyển mạch khe thời gian từ mạng lõi tới đúng BTS. - Cung cấp điểm truy cập bảo trì và vận hành chính cho toàn bộ BTS. - Lưu giữ cấu hình data đối với tất cả những phần tử trong BTS. Handover là 1 thuê bao từ Cell khác, yêu cầu mọi BTS phải: Đánh giá thông báo đo lường được phát từ mọi di động trong xuốt quá trình gọi, để xác định khi nào thì chuyển giao Truy cập tới tài nguyên có sẵn trong mỗi BTS hàng xóm Có thể thông tin với BTS hàng xóm để yêu cầu tài nguyên cho mỗi mobile cần handover và hợp tác với handover Hợp tác handover (chuyển giao) với tổng đài điện thoại mục đích để nó biết BTS nào đang cần xử lý mỗi cuộc gọi.
BTS ( Base transceiver Station) trong 1 cell. BTS có chức năng trao đổi thông tin với MS. Mỗi BTS bao gồm các thiết bị thu phát, anten và xử lý tín hiệu đặc Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 14 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động thù cho giao diện vô tuyến để cung cấp giao diện vô tuyến cho 1 cell. Dung lượng kênh thoại của mạng GSM, trong bất kỳ một vùng, được xác định bởi số lượng tần số mang tên mỗi cell trên một vùng, nhiệm vụ chính của BTS là: - Mã kênh (sử dụng FR.
HR hoặc EFR, iết mật mã và giải mật mã ( chỉ với những kết nối chuyển mạch kênh). - Đồng bộ một vài mật MS về thời gian và tần số. - Khối vô tuyến tương tự để điều chế, khuyếch đại và phối hợp thu phát. - Khối băng gốc để phối hợp tốc độ truyền thoại , số liệu và mã hóa kênh - Sự ước lượng và optimizatin về chất lượng phát UL và DL ( sử dụng nhiều cách đo riêng và những thông báo đo MS).
TRAU(TCE): Tín hiệu giao diện vô tuyến được mã hóa ở tóc độ 13kbs sử dụng mã tiền định tuyến LPC. Để thích ứng tốc độ này với tốc độ mạng thoại cố định PSTN cần có bộ chuyển đổi mã TRAU để chuyển đổi giữa 13kbps LPC và 64kbps PCM giữa MS và MSC. TRAU có thể đặt tại BTS, BSC. Mỗi 20ms chứa 260 bit tiếng sẽ được bổ sung 60 bit và tốc độ luồng số mỗi kênh đạt 16kbs.
Với truyền số liệu, không cần chuyển đổi mã nhưng tốc độ số liệu thay đổi từ 9,0kbps lên 16kbps để truyền trên giao diện kênh mặt đất (trong đó có 3kbps TRAU) ME |(Mobile Equiptment) = hardware + software là thiết bị di động. ME tương đương số IMEI = Assigned at the factory. SIM: lưu giữ thông tin nhận thực thuê bao và mật mã hóa/ giải mật mã hóa. Các thông tin lưu dữ trong SIM Các số nhận dạng IMSI, TMSI - Khóa nhận thực Ki - Khóa mật mã Kc - Số hiệu nhận dạng dùng định vị LAI (LAI- Location Area ID) - Danh sách các tần số lân cận Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 15 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động Có 3 lớp khác biệt của thiết bị di động(ME) GPRS với GSM.
- Lớp A: thiết bị có khả năng xử lý cuộc gọi thoại và chuyển gói data ở cùng 1 thời điểm. - Lớp B: Thiết bị có thể xử lý thoại hoặc lưu lượng gói data và có thể đặt việc chuyển gói ở trạng thái chờ để nhận cuộc gọi thoại. - Lớp C: Thiết bị có thể xử lý cả 2 thoại và data A. Phân hệ chuyển mạch MSC (Mobile service Switching centre) có nhiệm vụ điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM.
Một mặt giao tiếp với BTS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài (qua GMSC) MSC thường là 1 tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số các bộ điều khiển trạm gốc BSC. MSC thực hiện các chức năng: xử lý cuộc gọi, vận hành và bảo dưỡng, chức năng tương tác và tính cước. MSC có thể triển khai ở 2 dạng: MSC sever – xử lý báo hiệu; CS-MGW xử lý báo hiệu người dùng. MSC sever điều khiển cuộc gọi từ lúc bắt đầu đến kết thúc trong miền CS, hoàn thành báo hiệu và biên dịch vào trong mạng báo hiệu.
Chứa dữ liệu dịch vụ thuê bao trong VLR và dữ liệu liên quan CAMEL. CS – MGW (Circuit Switch – Media Gateway Function) giúp chuyển đổi phương tiện, điều khiển vật mang và xử lý kích thước gói qua giao diện Iu được đề nghị để xác nhận mã phụ thêm và những giao thức đóng khung. Việc giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng thích ứng (các chức năng tương tác IWF) để thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM và các mạng ngoài. Chức năng của IWF là: - Phụ thuộc vào dịch vụ và loại mạng cố định.
- Chuyển giao thức được dùng trong mạng PLMN sang những giao thức được dùng trong mạng cố định. Người thực hiện : Bùi Trung Toàn Page 16 Đề tài: An Ninh trong mạng thông tin di động GMSC (the Gateway MSC): để thiết lập 1 cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng GMSC mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao. GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí hiện thời của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú). Muốn vậy trước hết các tổng đài phải dựa trên số thoại danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này: MSC-> HLR tương ứng -> MSC có MS.
- GMSC quyết định điều khiển kết nối với mạng bên ngoài, khi truy vấn tới HLR và MSC.