Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

• Tác giả: Nguyễn Hồng Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Nhật Thăng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Giải Pháp Kỹ Thuật Định Vị Thiết Bị Di Động Thế Hệ Thứ Tư Cho An Ninh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU QUẢ ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CHO CÔNG TÁC AN NINH
• 3. CHƯƠNG 3: THU THẬP DỮ LIỆU CELL-ID TỪ NGUỒN MỞ
• 4. CHƯƠNG 4: HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động 4G

Giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư (4G) đang trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong lĩnh vực an ninh. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ viễn thông, việc định vị chính xác thiết bị di động không chỉ giúp nâng cao hiệu quả quản lý mà còn đảm bảo an toàn thông tin. Công nghệ định vị GPS và các phương pháp định vị khác đã được áp dụng rộng rãi, mang lại nhiều lợi ích cho công tác an ninh.

1.1. Định vị thiết bị di động và ứng dụng trong an ninh

Định vị thiết bị di động là quá trình xác định vị trí của thiết bị trong không gian. Công nghệ này có ứng dụng quan trọng trong an ninh, giúp theo dõi và giám sát các hoạt động đáng ngờ. Việc sử dụng công nghệ định vị GPS và các phương pháp khác giúp cải thiện khả năng phản ứng nhanh trong các tình huống khẩn cấp.

1.2. Công nghệ định vị GPS và vai trò trong an ninh

Công nghệ định vị GPS là một trong những công nghệ chủ chốt trong việc xác định vị trí thiết bị di động. Nó cung cấp thông tin thời gian thực về vị trí, giúp các cơ quan chức năng theo dõi và quản lý an ninh hiệu quả hơn. Sự chính xác của GPS trong việc định vị thiết bị di động đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu.

II. Thách thức trong việc định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư

Mặc dù công nghệ định vị thiết bị di động 4G mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác, khả năng kết nối và bảo mật thông tin là những yếu tố cần được giải quyết. Việc cải thiện độ chính xác của định vị là một trong những ưu tiên hàng đầu trong nghiên cứu hiện nay.

2.1. Độ chính xác và khả năng kết nối

Độ chính xác của định vị thiết bị di động phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm môi trường xung quanh và công nghệ sử dụng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc cải thiện khả năng kết nối giữa các trạm gốc và thiết bị di động có thể nâng cao độ chính xác của định vị.

2.2. Bảo mật thông tin trong định vị di động

Bảo mật thông tin là một trong những thách thức lớn trong việc định vị thiết bị di động. Các mối đe dọa từ hacker và các cuộc tấn công mạng có thể làm lộ thông tin nhạy cảm. Việc áp dụng các giải pháp bảo mật mạnh mẽ là cần thiết để bảo vệ thông tin người dùng.

III. Phương pháp cải thiện hiệu quả định vị thiết bị di động 4G

Để nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các giải pháp kỹ thuật như U-TDoA và kết hợp đa dạng nguồn dữ liệu đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện độ chính xác và khả năng khả dụng của hệ thống định vị.

3.1. Giải pháp kỹ thuật U TDoA

Giải pháp U-TDoA (Uplink Time Difference of Arrival) là một trong những phương pháp tiên tiến giúp cải thiện độ chính xác định vị. Phương pháp này sử dụng thời gian đến của tín hiệu từ thiết bị đến các trạm gốc để xác định vị trí chính xác hơn.

3.2. Kết hợp đa dạng nguồn dữ liệu

Việc kết hợp nhiều nguồn dữ liệu khác nhau, bao gồm GPS, Wi-Fi và Cell-ID, có thể nâng cao độ chính xác của định vị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự kết hợp này giúp cải thiện khả năng định vị trong các khu vực có tín hiệu yếu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giải pháp định vị thiết bị di động 4G

Giải pháp định vị thiết bị di động 4G đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ an ninh công cộng đến quản lý giao thông. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn đảm bảo an toàn cho người dân.

4.1. Ứng dụng trong an ninh công cộng

Trong an ninh công cộng, việc sử dụng công nghệ định vị giúp theo dõi và giám sát các hoạt động đáng ngờ. Các cơ quan chức năng có thể nhanh chóng phản ứng với các tình huống khẩn cấp, đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

4.2. Ứng dụng trong quản lý giao thông

Công nghệ định vị cũng được áp dụng trong quản lý giao thông, giúp theo dõi tình trạng giao thông và điều phối các phương tiện. Điều này không chỉ giúp giảm ùn tắc mà còn nâng cao hiệu quả vận chuyển hàng hóa.

V. Kết luận và tương lai của giải pháp định vị thiết bị di động

Giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư đang mở ra nhiều cơ hội mới cho lĩnh vực an ninh. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của định vị di động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể, đáp ứng tốt hơn nhu cầu thực tiễn.

5.1. Tương lai của công nghệ định vị

Công nghệ định vị sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các thế hệ mạng mới như 5G và 6G. Những cải tiến này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và khả năng kết nối, mở ra nhiều ứng dụng mới trong an ninh và quản lý.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực định vị thiết bị di động sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và bảo mật thông tin. Các giải pháp mới sẽ được phát triển để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của xã hội và đảm bảo an toàn cho người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu luận án tiến sĩ "Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh" do nghiên cứu sinh Nguyễn Hồng Thủy thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Nhật Thăng và TS. Hồ Văn Canh, được bảo vệ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông vào tháng 10 năm 2023. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông, mã số đào tạo 9.52.02.08 (trong văn bản ghi mã số 9.5).

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ sự phát triển của hạ tầng thông tin di động tại Việt Nam. Theo số liệu thống kê dẫn trong luận án, tính đến cuối tháng 12 năm 2022, tổng số thuê bao điện thoại tại Việt Nam ước đạt 129,7 triệu thuê bao (tăng 3,1% so với cùng kỳ năm trước), trong đó số thuê bao di động đạt 127,2 triệu thuê bao (tăng 3,7%) và thuê bao Internet băng rộng cố định đạt 21 triệu thuê bao (tăng 8,6%). Theo Chiến lược quốc gia phát triển kinh tế số và xã hội số, mục tiêu đặt ra đến năm 2025 là 95% dân số trong độ tuổi trưởng thành sở hữu điện thoại thông minh. Mạng viễn thông di động tại Việt Nam hoạt động theo mô hình mạng hỗn hợp cung cấp đồng thời ba thế hệ công nghệ 2G, 3G và 4G bởi năm nhà mạng: Viettel, VNPT-Vinaphone, Mobifone, Vietnamobile và Gtel Mobile (trong đó ba nhà mạng đầu chiếm thị phần chi phối và cung cấp đầy đủ dịch vụ 2G, 3G, 4G trên toàn quốc; đồng thời triển khai thử nghiệm thế hệ 5G).

Sự phổ cập của thiết bị thông minh và kết nối băng rộng tạo ra thách thức lớn đối với công tác bảo đảm an ninh trật tự. Các đối tượng vi phạm pháp luật lợi dụng công nghệ di động 4G, sử dụng SIM rác, SIM Box, số điện thoại ảo và các ứng dụng liên lạc dựa trên mạng Internet (như Zalo, Viber, Telegram, WhatsApp, Messenger, WeChat) để che giấu danh tính, gây khó khăn cho công tác giám sát, xác minh và truy vết. Đồng thời, công tác cứu hộ, cứu nạn khẩn cấp đối mặt với trở ngại do độ khả dụng, tốc độ xử lý và độ chính xác của các phương pháp định vị hiện nay chưa đáp ứng yêu cầu thực tế.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: phần lớn các nghiên cứu chuyên sâu và tiêu chuẩn kỹ thuật về định vị di động hiện nay được thiết kế riêng cho mục đích quản lý kết nối mạng của nhà khai thác hoặc cung cấp dịch vụ dựa trên vị trí (LBS), ứng dụng thương mại (Google Maps), hoặc dịch vụ cứu hộ khẩn cấp công cộng (như hệ thống E911 tại Mỹ và Canada). Chưa có công trình khoa học công bố nào giải quyết một cách tổng hợp, hoàn chỉnh bài toán định vị thiết bị di động 4G phục vụ chuyên biệt cho công tác an ninh. Các giải pháp kỹ thuật từ các nhà cung cấp thiết bị chuyên dụng trên thế giới thiếu tài liệu kỹ thuật công khai chi tiết hoặc chỉ đưa ra phương án kỹ thuật đơn lẻ với phạm vi ứng dụng hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu tổng thể của luận án là nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật có hiệu quả, từ đó xây dựng mô hình hệ thống kỹ thuật tổng thể định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư ứng dụng cho công tác an ninh, đáp ứng yêu cầu của cơ quan an ninh, phù hợp với điều kiện thực tế và có khả năng mở rộng trong tương lai.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của luận án bao gồm 06 nội dung:

1. Làm rõ những luận giải, lý giải trước đây của việc định vị di động, định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và yêu cầu ứng dụng cho công tác an ninh.
2. Tìm hiểu tình hình nghiên cứu liên quan và các vấn đề đặt ra ở trong nước, ngoài nước; những mặt đã đạt được, còn tồn tại và hướng giải quyết.
3. Nghiên cứu cơ sở khoa học, các nguyên lý kỹ thuật định vị di động, các công nghệ định vị di động, các kỹ thuật và công nghệ có liên quan đến vấn đề đặt ra cần nghiên cứu.
4. Phân tích, lựa chọn và đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động, cụ thể là nâng cao tính khả thi, độ khả dụng, bảo đảm thời gian nhanh và tăng độ chính xác định vị.
5. Đề xuất mô hình tổng thể hệ thống kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư cho công tác an ninh; thiết kế cấu trúc, chức năng, nguyên lý hoạt động của các hệ thống kỹ thuật liên quan, phù hợp với điều kiện thực tế.
6. Thực nghiệm một số kỹ thuật để minh chứng cho tính khả thi của kết quả nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào 04 trọng tâm:

1. Cơ sở khoa học, lý thuyết, các nguyên lý kỹ thuật, công nghệ định vị di động và các kỹ thuật liên quan (thu thập, xây dựng cơ sở dữ liệu định vị đa nguồn; cải thiện độ chính xác định vị; phân lớp, xác định đối tượng; bảo mật chuyển giao kết quả định vị; kỹ thuật giả lập trạm gốc thu thập tham số nhận dạng thuê bao IMSI/IMEI).
2. Giải pháp kỹ thuật định vị nhằm nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động.
3. Mô hình kiến trúc tổng thể hệ thống kỹ thuật định vị thiết bị di động ứng dụng cho công tác an ninh.
4. Thực nghiệm kỹ thuật gồm: thu thập cơ sở dữ liệu Cell-ID từ nguồn mở; cải tiến thuật toán định vị ToA, AoA; giả lập trạm gốc thu thập tham số IMSI/IMEI hỗ trợ tìm kiếm và định vị mục tiêu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan tài liệu nghiên cứu, tác giả đã hệ thống hóa các công trình trong nước và quốc tế liên quan trực tiếp đến các hướng tiếp cận định vị vô tuyến:

Về các công trình trong nước:

• Tác giả Lê Danh Cường (Luận án tiến sĩ năm 2018) đã nghiên cứu một số nguyên lý kỹ thuật điển hình để định vị di động GSM (2G) qua giao diện vô tuyến và giải pháp bảo mật liên lạc GSM chuyên dùng bằng cách thiết lập trạm gốc dùng riêng. Công trình này giải quyết bài toán định vị trên mạng 2G và thiết lập mạng liên lạc chuyên dùng, nhưng chưa giải quyết bài toán định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư (4G) phục vụ công tác an ninh.
• Tác giả Vũ Trung Kiên (Luận án tiến sĩ năm 2019) nghiên cứu nguyên lý kỹ thuật định vị dựa trên mạng không dây Wi-Fi, đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác và tối ưu hóa thời gian định vị của hệ thống định vị trong nhà sử dụng kỹ thuật dấu vân tay cường độ tín hiệu nhận được (Wi-Fi RSSI).

Về các công trình và tiêu chuẩn quốc tế:

• Các tiêu chuẩn kỹ thuật của tổ chức 3GPP (3rd Generation Partnership Project), Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI), và Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC).
• Các hệ thống cứu hộ khẩn cấp quốc tế, tiêu biểu là hệ thống 911 nâng cao (E911) của Mỹ và Canada phục vụ 96% lãnh thổ Mỹ, ứng dụng hệ thống tự động nhận dạng vị trí (ALI) kết nối với hạ tầng mạng viễn thông.
• Các tài liệu nghiên cứu về dịch vụ định vị dựa trên vị trí (LBS), kỹ thuật định vị lai ghép kết hợp GPS hỗ trợ (A-GPS), hệ thống thông tin dẫn đường của Google Maps, và các kỹ thuật đo đạc vô tuyến trong mạng LTE như OTDoA và E-CellID.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định và tập trung giải quyết: Các công nghệ hiện hành phân tách thành hai hướng chính nhưng đều bộc lộ hạn chế khi áp dụng vào công tác an ninh:

1. Nhóm kỹ thuật định vị dựa trên mạng (Network-Based) đòi hỏi sự can thiệp phần cứng và phần mềm trực tiếp vào hạ tầng mạng lõi của các nhà mạng viễn thông, phụ thuộc hoàn toàn vào cơ chế phối hợp của nhà mạng và bị giới hạn bởi quy định pháp lý.
2. Nhóm kỹ thuật định vị dựa trên thiết bị cầm tay (Handset-Based) đòi hỏi phải cài đặt phần mềm khách trực tiếp lên máy mục tiêu, điều này không khả thi đối với các đối tượng ẩn danh hoặc hoạt động từ xa.

Luận án định vị vị trí nghiên cứu bằng cách đề xuất một giải pháp kỹ thuật tổng thể mang tính hỗn hợp, độc lập với sự can thiệp vào mạng lõi: khai thác cơ sở dữ liệu định vị Cell-ID từ nguồn mở, cải tiến thuật toán xử lý hình học giao điểm ToA/AoA, kết hợp giải pháp kỹ thuật U-TDoA và sử dụng trạm gốc giả lập vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) để chủ động thu thập nhận dạng thiết bị và định hướng mục tiêu trong thực địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết, nguyên lý kỹ thuật và mô hình toán học sau:

Phân loại các nguyên lý định vị di động

Vị trí của thiết bị di động (MD/MS/UE) được xác định dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cốt lõi:

• Kỹ thuật định vị dựa trên mạng (Network-Based): Xác định vị trí thông qua hạ tầng các trạm thu phát vô tuyến (BTS/eNodeB). Bao gồm phương pháp đo đa phương (Multilateration - MLAT) tính toán dựa trên thời gian đến (Time of Arrival - ToA) hoặc chênh lệch thời gian đến (Time Difference of Arrival - TDoA); phương pháp đo tam giác (Triangulation); phương pháp xác định theo ô mạng phục vụ (Cell-ID) kết hợp giá trị định thời Timing Advance (CI+TA trong GSM) hoặc độ trễ khứ hồi Round Trip Time (CI+RTT trong 3G/4G).
• Kỹ thuật định vị dựa trên thiết bị cầm tay (Handset-Based): Máy di động trực tiếp đo đạc tham số mạng và tính toán vị trí, hoặc gửi dữ liệu về mạng xử lý. Điển hình gồm kỹ thuật đo chênh lệch thời gian quan sát nâng cao (E-OTD trong GSM), kỹ thuật đo tam giác liên kết chuyển tiếp nâng cao (AFLT trong CDMA), và kỹ thuật IPDL-OTDoA trong 3G/4G.
• Kỹ thuật định vị dựa trên mô-đun nhận dạng thuê bao (SIM): Thu thập các tham số vô tuyến thô từ thẻ SIM (Cell-ID đang phục vụ, thời gian phản hồi, cường độ tín hiệu).
• Kỹ thuật định vị dựa trên Wi-Fi: Khai thác thông tin các điểm truy cập (AP) thông qua chỉ báo cường độ tín hiệu nhận được (AP-RSSI), phương pháp so khớp dấu vân tay (Fingerprinting), góc đến của tín hiệu (Angle of Arrival - AoA sử dụng thuật toán MUSIC với mảng ăng-ten), và thời gian bay của tín hiệu (Time of Flight - ToF).
• Kỹ thuật định vị lai ghép (Hybrid): Kết hợp giữa thông tin mạng và dữ liệu từ các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (GPS của Mỹ, GLONASS của Nga, Galileo của Châu Âu, BeiDou của Trung Quốc), tiêu biểu là giải pháp A-GNSS/A-GPS; tích hợp dịch vụ dựa trên vị trí (LBS) với dịch vụ dựa trên đa phương tiện của vị trí (LBM).

Tiêu chí và mô hình đánh giá sai số

Độ chính xác định vị được lượng hóa bằng hàm điểm căn bậc hai của sai số bình phương trung bình (Root Mean Square Error - RMSE):

$$RMSE = \sqrt{\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n (x_{mesuredk} - x_{true})^2}$$

Trong đó:

• $n$ là số phép đo trong tập hợp đánh giá;
• $k$ là chỉ số của phép đo thứ $k$;
• $x_{mesuredk}$ là giá trị tọa độ đo được tại phép đo thứ $k$;
• $x_{true}$ là tọa độ vị trí thực tế của thiết bị di động.

Độ chính xác hai chiều ngang mặt phẳng được biểu diễn bằng sai số $2drms$ hoặc Xác suất Sai số Hình tròn (CERP - Circular Error Probability), còn trường hợp ba chiều sử dụng Xác suất Sai số Hình cầu (SERP - Sphere Error Probability).

Bảng dưới đây tổng hợp yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác định vị của dịch vụ cứu nạn khẩn cấp FCC-911 tại Mỹ được tác giả trích dẫn làm khung tham chiếu:

Phương pháp	67% CERP (m)	95% CERP (m)	Ghi chú
Dựa trên thiết bị cầm tay	50	150	Ví dụ GPS tích hợp trên máy
Dựa trên mạng	100	300	Ví dụ kỹ thuật ToA trên hạ tầng mạng
Giải pháp phần mềm mạng (NSS)	1000	Không áp dụng	Ví dụ phương pháp CI+TA
EOTD (Giai đoạn thử nghiệm 10/2001)	100	300	Độ chính xác bán kính
EOTD (Giai đoạn từ 01/10/2003)	50	150	Tiêu chuẩn nâng cao sau thử nghiệm

Độ chính xác cho các dịch vụ dựa trên vị trí (LBS) được phân loại theo ba mức:

• Mức Thấp: Sai số lớn hơn 150 mét;
• Mức Trung bình: Sai số trong khoảng từ 50 mét đến 150 mét;
• Mức Cao: Sai số nhỏ hơn 50 mét.

Bảng so sánh về độ trễ, độ tin cậy và khả năng áp dụng của các phương pháp định vị:

Phương pháp định vị	Độ tin cậy	Độ trễ	Khả năng áp dụng
GPS độc lập	Cao	< 35 giây	Cao
GPS hỗ trợ (A-GPS)	Trung bình	1 - 10 giây (ngoài trời)	Trung bình
Mạng di động: AoA	Trung bình	Xấp xỉ 10 giây	Thấp
Mạng di động: RSSI	Cao	< 5 giây	Cao
Mạng di động: LF (Dấu vân tay)	Thấp	< 10 giây	Thấp
Mạng di động: CI+TA	Cao	< 5 giây	Cao
Mạng di động: ToA / TDoA	Trung bình	< 10 giây	Thấp
Mạng di động: EOTD hoặc OTDoA-IPDL	Trung bình	< 10 giây	Trung bình

Cơ sở lý thuyết liên quan khác

• Lý thuyết phân lớp và bài toán nhận dạng đối tượng: Xây dựng các tiêu chí phân loại để xác định thuê bao/thiết bị có thuộc diện giám sát hay không.
• Kỹ thuật bảo mật dữ liệu vị trí: Áp dụng bài toán chia sẻ mảnh bí mật qua ảnh và thuật toán giấu tin mật trong ảnh số sử dụng kỹ thuật bít có ý nghĩa thấp nhất (Least Significant Bit - LSB).
• Kỹ thuật vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR): Sử dụng thiết bị phần cứng SDR kết hợp mã nguồn mở srsRAN (srsLTE) để thiết lập trạm gốc giả lập (eNodeB) phục vụ thu thập tham số vô tuyến.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng thuật toán và đo kiểm thực nghiệm định tính lẫn định lượng:

• Phương pháp định tính áp dụng cho việc phân tích nguyên lý, xây dựng kiến trúc hệ thống và quy trình nghiệp vụ an ninh.
• Phương pháp định lượng áp dụng cho việc xử lý số liệu thực nghiệm:
  • Mẫu xây dựng giải pháp xử lý định vị sử dụng cơ sở dữ liệu Cell-ID nguồn mở (OpenCellID, Google API) và tập dữ liệu tham số ToA, AoA;
  • Mẫu thực nghiệm vô tuyến thu thập từ dữ liệu đo kiểm thực tế trên giao diện không gian của các mạng di động 2G, 3G, 4G tại Việt Nam (Viettel, Vinaphone, Mobifone);
  • Thực nghiệm trạm gốc giả lập trên thiết bị SDR tại địa bàn thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về định vị di động

Chương 1 trình bày hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ định vị di động, phân tích các ứng dụng trong quản lý mạng, kinh tế - xã hội, dịch vụ khẩn cấp và bảo đảm an ninh trật tự. Luận án phân chia bài toán định vị thành 04 dạng phương thức thực hiện:

• Dạng chủ động: Nhà mạng viễn thông tự tính toán vị trí thuê bao trên hạ tầng của mình để phục vụ kết nối;
• Dạng bị động: Đơn vị sử dụng nhận tọa độ vị trí từ thiết bị người dùng hoặc truy vấn dữ liệu từ nhà mạng;
• Dạng bán chủ động: Hệ thống cứu nạn khẩn cấp (như E911) kết nối chuyên dụng với mạng viễn thông và sử dụng hệ thống tự động nhận dạng vị trí (ALI) để định vị trên bản đồ số;
• Dạng hỗn hợp: Áp dụng cho công tác an ninh, đòi hỏi phối hợp linh hoạt cả phương thức chủ động, bị động và bán chủ động tùy thuộc vào điều kiện tiếp cận mục tiêu.

Chương này đi sâu phân tích và so sánh các nguyên lý định vị: Network-Based, Handset-Based, SIM-Based, Wifi-Based và Hybrid thông qua năm tiêu chí kỹ thuật: độ chính xác, độ tin cậy, độ trễ, tính khả dụng và khả năng áp dụng. Tác giả phân tích tính khả dụng kém theo các điều kiện môi trường thực tế: vùng xa xôi (không có sóng cell), nông thôn, thành thị nhỏ (nhiều tán cây, ngõ hẹp), thành thị lớn (nhà cao tầng che chắn), trong nhà (tường bê tông, trần thép làm suy hao tín hiệu) và dưới tầng ngầm.

Về yêu cầu an ninh, chương 1 xác định quy trình xác định vị trí gồm ba bước logic: (1) Nhận diện đối tượng có thuộc diện cần tìm kiếm hay không; (2) Phân lớp đối tượng; (3) Định vị không gian địa lý từ diện rộng (quốc gia, tỉnh, thành phố) đến diện hẹp (Cell phục vụ, địa chỉ IP/MAC, tọa độ địa lý cụ thể). Tác giả tổng kết các công trình nghiên cứu trước đây (như công trình của Lê Danh Cường năm 2018 về mạng 2G, Vũ Trung Kiên năm 2019 về Wi-Fi trong nhà) để chỉ ra những hạn chế kỹ thuật đối với mạng 4G và đề xuất khung giải pháp kỹ thuật cần giải quyết.

Chương 2: Giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác, tính khả thi và độ khả dụng của hệ thống định vị:

• Đưa ra khái niệm mở rộng về đối tượng định vị: Trong môi trường mạng 4G, đối tượng không đơn thuần là số thuê bao hay điện thoại di động mà được đồng nhất với một "thiết bị di động" (MD), gắn liền với các tham số nhận dạng phần cứng (IMEI), nhận dạng thuê bao (IMSI), định danh tạm thời (TMSI), địa chỉ mạng (IP, MAC) và định danh ô vô tuyến (Cell-ID).
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật tổng thể: Kết hợp đa dạng các nguồn dữ liệu định vị bên ngoài nhà mạng, trọng tâm là khai thác dữ liệu Cell-ID từ các nền tảng dữ liệu mở (Open Data) nhằm loại bỏ sự phụ thuộc vào dữ liệu nội bộ của nhà mạng viễn thông.
• Cải thiện độ chính xác thuật toán định vị: Luận án phân tích thuật toán định vị hình học dựa trên giao điểm các đường tròn ToA và góc đến AoA. Tác giả chỉ ra và xử lý bài toán xác định tọa độ giao điểm của hai vòng tròn và ba vòng tròn trong hệ tọa độ địa lý mặt cầu/elipxoid (thay vì mặt phẳng phẳng phẳng Cartesian), khắc phục hiện tượng sai lệch do các đường tròn không cắt nhau tại một điểm duy nhất do sai số đo cự ly và đa đường.
• Ứng dụng kỹ thuật U-TDoA (Uplink Time Difference of Arrival): Phân tích việc thu nhận và đo chênh lệch thời gian đến của tín hiệu đường lên phát từ thiết bị di động đến các trạm thu chuyên dụng, giúp tăng độ khả dụng tại khu vực có mật độ trạm dày đặc và giảm ảnh hưởng của hiện tượng phi tầm nhìn thẳng (NLOS).

Chương 3: Mô hình hệ thống kỹ thuật định vị thiết bị di động và ứng dụng cho công tác an ninh

Chương 3 thiết kế kiến trúc kỹ thuật chi tiết của hệ thống định vị chuyên dụng:

• Kiến trúc tổng thể và cấu trúc chức năng: Xây dựng sơ đồ phân hệ gồm khối thu thập dữ liệu đa nguồn, khối xử lý phân lớp đối tượng, khối tính toán tọa độ định vị, khối bản đồ số (GIS) và khối bảo mật giao tiếp.
• Mô hình phân lớp, xác định đối tượng: Áp dụng các thuật toán phân loại dữ liệu để sàng lọc các đặc trưng của thiết bị di động, tự động phân tách các đối tượng cần giám sát từ cơ sở dữ liệu lớn các bản ghi viễn thông.
• Giải pháp bảo mật chuyển giao kết quả định vị: Đề xuất mô hình an toàn thông tin hai lớp để truyền đưa dữ liệu tọa độ mục tiêu về trung tâm chỉ huy:
  • Áp dụng bài toán chia sẻ mảnh bí mật: Tọa độ và thông tin mục tiêu được mã hóa và phân tách thành nhiều phần độc lập, chỉ khi tập hợp đủ số lượng mảnh quy định mới có thể khôi phục thông tin gốc;
  • Áp dụng thuật toán giấu tin mật qua ảnh: Nhúng các mảnh dữ liệu mật vào các tệp ảnh số truyền đi thông qua kỹ thuật thay thế bít có ý nghĩa thấp nhất (LSB - Least Significant Bit), bảo đảm tính bí mật trước các nguy cơ thu chặn trên đường truyền mạng công cộng.
• Giải pháp trạm gốc giả lập thu thập tham số IMSI/IMEI: Thiết kế sơ đồ khối trạm gốc giả lập hoạt động trên 3 băng tần (2G/3G/4G). Trạm giả lập sử dụng phần cứng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) và phần mềm srsRAN, phát sóng với công suất phù hợp để cưỡng bức các thiết bị di động trong vùng phủ sóng thực hiện thủ tục cập nhật vị trí (Location Update), từ đó trích xuất các tham số IMSI và IMEI của mục tiêu mà không cần phá mã thuật toán bảo mật của mạng thương mại.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 4 trình bày các kịch bản, quy trình và dữ liệu đo đạc thực nghiệm nhằm kiểm chứng các giải pháp lý thuyết đã đề xuất:

• Thực nghiệm thu thập dữ liệu Cell-ID từ nguồn mở: Tác giả tiến hành thu thập và xử lý cơ sở dữ liệu vị trí các trạm phát sóng từ dự án OpenCellID và cơ sở dữ liệu của Google. Dữ liệu trạm BTS/eNodeB thu thập được biểu diễn trực quan trên bản đồ số, đánh giá độ bao phủ của dữ liệu tại các khu vực đô thị và nông thôn.
• Thực nghiệm cải thiện độ chính xác thuật toán định vị: Kiểm tra thuật toán xác định giao điểm ToA/AoA đã cải tiến trên bản đồ số. Kết quả thực nghiệm cho thấy:
  • Trong điều kiện chuẩn hóa các tham số đầu vào, thuật toán cải tiến hiển thị chính xác các điểm cắt nhau trên bản đồ số với sai số đo đạc đạt mức xấp xỉ 0 mét;
  • Trong các trường hợp tín hiệu chịu ảnh hưởng của môi trường phản xạ hoặc suy hao làm sai lệch khoảng cách ước tính, bản đồ hiển thị điểm cắt sai lệch với sai số ghi nhận thực tế lớn hơn 37 mét.
• Thực nghiệm giả lập trạm gốc 4G thu thập tham số IMSI/IMEI: Thiết lập hệ thống trạm giả lập 4G sử dụng thiết bị SDR và phần mềm srsRAN. Kết quả hiển thị trên màn hình logfile ghi nhận đầy đủ chu trình tương tác:
  • Thiết bị di động gửi bản tin yêu cầu cập nhật vị trí (Attach/Tracking Area Update) vào mạng giả lập sử dụng định danh tạm thời TMSI với giá trị 0x5041eaa6;
  • Trạm giả lập gửi yêu cầu nhận dạng (Identity Request), thiết bị mục tiêu gửi phản hồi trích xuất thành công số định danh thuê bao quốc tế IMSI thực tế: 452 02 1111578159 (thuộc dải mã mạng di động VNPT-Vinaphone tại Việt Nam, trong đó 452 là Mobile Country Code của Việt Nam, 02 là Mobile Network Code của Vinaphone);
  • Trạm giả lập thực hiện thủ tục yêu cầu xác thực bằng số IMEI của máy, thiết bị phản hồi chính xác mã IMEI phần cứng;
  • Trạm thực hiện quy trình tìm gọi (Paging) và thiết lập kênh truyền riêng biệt với thiết bị mục tiêu.
• Thực nghiệm tìm hướng và định vị thiết bị di động bằng trạm gốc giả lập: Thực hiện điều chỉnh hướng và góc búp sóng của ăng-ten trạm giả lập, kết hợp đo mức công suất tín hiệu thu được từ thiết bị di động mục tiêu ở các cự ly gần và cự ly xa (thể hiện rõ trên logfile cường độ mức thu). Qua đó, hệ thống khoanh vùng được mục tiêu vào một góc phương vị và cự ly không gian xác định.
• Đánh giá tổng hợp: Luận án lập bảng đối sánh khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống đề xuất so với các yêu cầu nghiệp vụ chuyên dùng, xác nhận giải pháp có tính khả thi trong điều kiện trang bị kỹ thuật thực tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt khoa học lý thuyết và giá trị thực tiễn kỹ thuật như sau:

Về mặt lý thuyết:

• Hệ thống hóa toàn diện các nguyên lý kỹ thuật, công nghệ định vị di động trong môi trường mạng hỗn hợp đa thế hệ (2G, 3G, 4G);
• Đưa ra khái niệm mở rộng và chuẩn hóa về đối tượng của bài toán định vị an ninh trong kỷ nguyên số, đồng nhất mục tiêu với tập hợp các định danh phần cứng, thuê bao và địa chỉ mạng dữ liệu;
• Cải tiến thuật toán xác định tọa độ giao điểm của các đường cong ToA và hướng AoA trong hệ tọa độ địa lý thực, giải quyết bài toán đa nghiệm khi các đường đo đạc vô tuyến bị sai lệch do nhiễu môi trường;
• Xây dựng mô hình toán học kết hợp giữa lý thuyết phân lớp đối tượng và các phương pháp an toàn thông tin (chia sẻ mảnh bí mật, giấu tin LSB trên tệp ảnh) ứng dụng riêng cho việc truyền dẫn dữ liệu vị trí nghiệp vụ an ninh.

Về mặt thực tiễn:

• Đề xuất giải pháp kỹ thuật tổng thể cho phép xây dựng cơ sở dữ liệu định vị vị trí trạm vô tuyến từ các nguồn mở (OpenCellID, Google API), giúp các cơ quan chức năng có thể định vị sơ bộ mục tiêu độc lập mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào hạ tầng cơ sở dữ liệu của các nhà mạng viễn thông;
• Thiết kế, tích hợp và thử nghiệm vận hành thành công hệ thống trạm gốc giả lập đa băng tần (2G/3G/4G) trên nền tảng thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) và mã nguồn mở srsRAN, thực hiện thành công việc trích xuất các tham số nhận dạng IMSI, IMEI và đo cường độ tín hiệu để hỗ trợ tìm hướng mục tiêu ngoài thực địa;
• Đề xuất mô hình hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu thu thập, phân lớp, xử lý tính toán vị trí đến chuyển giao bảo mật kết quả, đáp ứng yêu cầu nghiệp vụ khẩn cấp và bảo vệ an ninh trật tự.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

• Kiến nghị các cơ quan an ninh cần sớm trang bị, phát triển các hệ thống định vị vô tuyến chuyên dụng ứng dụng công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) để làm chủ kỹ thuật giám sát di động băng rộng;
• Đề xuất xây dựng cơ sở dữ liệu vị trí Cell-ID tập trung, kết hợp dữ liệu mở với dữ liệu đo kiểm thực địa định kỳ nhằm phục vụ cho cả công tác cứu hộ, cứu nạn và đấu tranh phòng chống tội phạm công nghệ cao;
• Đề xuất hoàn thiện cơ chế phối hợp kỹ thuật giữa các cơ quan quản lý Nhà nước, lực lượng thực thi pháp luật và các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ viễn thông di động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình nghiên cứu:

• Phạm vi thử nghiệm thực tế của trạm gốc giả lập và các phép đo vô tuyến mới được triển khai trên quy mô hạn chế tại một số địa bàn cụ thể, chưa bao quát toàn bộ các dạng địa hình phức tạp (như vùng đồi núi hiểm trở hoặc môi trường bên trong các tòa nhà kết cấu phức tạp);
• Cơ sở dữ liệu Cell-ID từ nguồn mở (OpenCellID) còn tồn tại độ trễ cập nhật và độ chính xác phân bố không đồng đều giữa các nhà mạng và khu vực địa lý;
• Thiết bị giả lập trạm gốc phát sóng vô tuyến chịu các giới hạn vật lý về công suất phát, cự ly phủ sóng, đồng thời phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về quản lý tần số vô tuyến điện để tránh gây can nhiễu đến mạng thông tin di động công cộng đang hoạt động.

Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án:

• Tiếp tục nghiên cứu, mở rộng giải pháp kỹ thuật định vị và xây dựng mô hình trạm giả lập cho mạng thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) và định hướng thế hệ thứ sáu (6G), khai thác các đặc tính kỹ thuật mới như công nghệ chùm sóng (Beamforming) và băng tần sóng milimet (mmWave);
• Ứng dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo và học máy (AI/ML) vào việc tối ưu hóa bài toán phân lớp đối tượng và xử lý lọc nhiễu tín hiệu đa đường trong điều kiện không có tầm nhìn thẳng (NLOS);
• Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị ba chiều (3D), tích hợp xác định độ cao của thiết bị di động trong các khu đô thị có mật độ nhà cao tầng dày đặc.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông, Công nghệ thông tin, Kỹ thuật mật mã và An toàn thông tin: Luận án cung cấp hệ thống lý thuyết chuẩn hóa về các nguyên lý định vị mạng không dây, các tiêu chuẩn định vị quốc tế (3GPP, FCC-911), và phương pháp lập trình vô tuyến trên nền tảng phần mềm mã nguồn mở srsRAN và SDR.
• Cán bộ kỹ thuật, chỉ huy nghiệp vụ thuộc lực lượng Công an nhân dân, Quân đội nhân dân và các cơ quan an ninh: Luận án cung cấp cơ sở kỹ thuật và mô hình thực nghiệm chi tiết về trạm giả lập thu thập thông tin nhận dạng vô tuyến IMSI/IMEI, giải pháp định hướng thuê bao mục tiêu và phương pháp bảo mật thông tin nhạy cảm qua ảnh số.
• Các đơn vị quản lý tần số, doanh nghiệp viễn thông và các lực lượng tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn: Công trình cung cấp giải pháp khai thác dữ liệu mở Cell-ID và kỹ thuật đo đạc không gian để phục vụ tìm kiếm vị trí nạn nhân trong các sự cố khẩn cấp.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao:

• Bảng tổng hợp và so sánh chi tiết các công nghệ định vị di động (Chương 1);
• Thuật toán giải bài toán giao điểm các đường tròn trên hệ tọa độ địa lý (Chương 2);
• Quy trình bắt bắt tham số nhận dạng thuê bao di động thông qua logfile thực nghiệm trạm giả lập 4G (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng công thức toán học nào để đánh giá sai số độ chính xác của các phép đo vị trí thiết bị di động?

Luận án sử dụng hàm điểm căn bậc hai của sai số bình phương trung bình (RMSE) được định nghĩa theo công thức:

$$RMSE = \sqrt{\frac{1}{n}\sum_{k=1}^n (x_{mesuredk} - x_{true})^2}$$

Trong đó: $n$ là tổng số phép đo trong tập dữ liệu thử nghiệm, $k$ là số thứ tự của phép đo, $x_{mesuredk}$ là tọa độ vị trí đo được tại phép đo thứ $k$, và $x_{true}$ là tọa độ vị trí thực tế của thiết bị di động được bố trí kiểm thử.

2. Trong thực nghiệm giả lập trạm gốc 4G tại Chương 4, các thông số nhận dạng thuê bao thu được thể hiện trên logfile là gì?

Trên màn hình logfile của thực nghiệm giả lập trạm gốc 4G (sử dụng thiết bị SDR và phần mềm srsRAN), hệ thống đã trích xuất thành công:

• Tham số định danh tạm thời: TMSI có giá trị 0x5041eaa6 khi thiết bị gửi yêu cầu cập nhật vị trí;
• Tham số nhận dạng thuê bao quốc tế thực tế: IMSI có giá trị 452 02 1111578159, xác định thuê bao thuộc mạng viễn thông VNPT-Vinaphone tại Việt Nam;
• Sau đó, trạm giả lập tiếp tục thực hiện thủ tục truy vấn và thiết bị mục tiêu phản hồi xác thực bằng mã số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI) phần cứng.

3. Phương pháp định vị dựa trên thiết bị cầm tay (Handset-Based) gặp trở ngại gì khi triển khai cho công tác an ninh?

Theo phân tích của luận án, trở ngại chính của kỹ thuật Handset-Based trong nghiệp vụ an ninh là bắt buộc phải cài đặt phần mềm khách trực tiếp lên thiết bị di động của mục tiêu, đòi hỏi sự hợp tác chủ động của người sử dụng và phần mềm phải tương thích liên tục với các hệ điều hành khác nhau. Điều này không khả thi trong thực tế đấu tranh chuyên án do các đối tượng phạm tội luôn tìm cách ẩn danh, hoạt động từ xa hoặc sử dụng thiết bị mang từ nước ngoài vào mạng viễn thông trong nước.

4. Luận án đề xuất giải pháp bảo mật nào để chuyển giao kết quả định vị về trung tâm chỉ huy an toàn?

Luận án đề xuất mô hình kỹ thuật kết hợp hai cơ chế bảo mật trên nền tảng xử lý ảnh số:

1. Bài toán chia sẻ mảnh bí mật qua ảnh: Phân tách dữ liệu tọa độ định vị thành nhiều mảnh độc lập;
2. Thuật toán giấu tin mật qua ảnh: Nhúng các mảnh dữ liệu mật vào tệp ảnh thông qua thuật toán thay thế bít có ý nghĩa thấp nhất (LSB - Least Significant Bit). Dữ liệu chỉ được giải mã và khôi phục khi tập hợp đủ số lượng mảnh ảnh theo cấu hình quy định tại trung tâm quản lý.

5. Kết quả kiểm tra độ chính xác của thuật toán ToA/AoA cải tiến trong thực nghiệm cho sai số bao nhiêu mét?

Trong nội dung kiểm thử thuật toán xác định giao điểm trên hệ tọa độ địa lý tại Chương 4, thực nghiệm ghi nhận hai trường hợp:

• Khi dữ liệu đầu vào chuẩn xác, thuật toán cải tiến hiển thị vị trí các điểm cắt nhau chính xác trên bản đồ số với sai số bằng 0 mét;
• Trong trường hợp dữ liệu đo chịu ảnh hưởng sai lệch do phản xạ tín hiệu hoặc ước tính khoảng cách không chuẩn, kết quả hiển thị điểm cắt không chính xác với sai số ghi nhận trên giao diện thực nghiệm là hơn 37 mét.

Kết luận

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh" của tác giả Nguyễn Hồng Thủy đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định vị trí thiết bị di động 4G trong môi trường mạng hỗn hợp mà không phụ thuộc vào sự can thiệp trực tiếp vào mạng lõi của các nhà mạng viễn thông. Bằng việc kết hợp cơ sở dữ liệu Cell-ID nguồn mở, cải tiến thuật toán hình học ToA/AoA trên hệ tọa độ cầu và ứng dụng trạm gốc giả lập SDR/srsRAN, công trình đã đề xuất một mô hình hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh bảo đảm tính khả thi, tính khả dụng và an toàn thông tin phục vụ nghiệp vụ an ninh. Các kết quả thực nghiệm trích xuất thành công IMSI/IMEI và định hướng mục tiêu thực tế đã chứng minh tính đúng đắn của giải pháp, đồng thời mở ra hướng phát triển mở rộng cho các thế hệ mạng thông tin di động tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Khái quát về công trình nghiên cứu Trong luận án này, khái niệm thiết bị di động (MD) sẽ được đồng nhất với điện thoại di động (MP), hay trạm di động (MS) hay thiết bị người dùng (UE) tùy theo ngữ cảnh trình bày. Một số khái niệm như kỹ thuật định vị, công nghệ định vị hay phương pháp/ giải pháp định vị đôi khi cũng được dùng cùng một nghĩa, tùy theo ngữ cảnh. Định vị thiết bị di động (hay định vị điện thoại di động, định vị di động) có tầm quan trọng và ý nghĩa to lớn, thiết thực trong công nghệ viễn thông di động; trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội, an ninh công cộng và đời sống con người. Ngay khi thiết lập mạng viễn thông di động, kỹ thuật định vị đã được nghiên cứu áp dụng để mạng di động xác định được vị trí của thuê bao và phục vụ.

Trong quá trình hoạt động, mạng di động phải thực hiện nhiều phương pháp định vị để phục vụ các yêu cầu dịch vụ, điển hình như cung cấp các dịch vụ dựa trên vị trí (LBS). Ta có thể thấy, một trong những ứng dụng rộng rãi, có giá trị nhất của định vị thiết bị di động trong kinh tế, xã hội, chuyên dùng và đời sống là dẫn đường. Trong an ninh công cộng, định vị thiết bị di động đặc biệt cần thiết cho thông tin chỉ huy, điều hành; thông tin khẩn cấp và cứu hộ cứu nạn; giám sát an ninh công cộng và nhiều hoạt động khác. Do vậy, kỹ thuật, công nghệ và các ứng dụng của định vị thiết bị di động là lĩnh vực luôn được quan tâm nghiên cứu, phát triển.

Những năm gần đây, công nghệ điện tử và viễn thông di động đã có sự phát triển nhanh chóng, vượt bậc. Thế giới đã trải qua 4 thế hệ công nghệ di động 1G/2G/3G/4G và hiện đang phát triển 5G, một số nước đã bắt đầu nghiên cứu về 6G. Ở nước ta, kể từ khi có mạng di động đầu tiên với công nghệ tương tự APMS (hệ thống Callink tại TP. Hồ Chí Minh) vào đầu những năm 1990, sau đó là mạng di động số GSM của Mobifone từ năm 1994, đến nay đã có 5 nhà mạng di động cung cấp dịch vụ: Mobifone, VNPT-Vinaphone, Viettel Mobile, Vietnammobile và Gtel Mobile.

Trong đó, Gtel Mobile chỉ cung cấp rất hạn chế 2G; Vietnammobile cũng cung cấp hạn chế 2G, 3G; ba nhà mạng còn lại chiếm thị phần chính và cung cấp đầy đủ 2G, 3G, 4G với vùng phủ sóng rộng rãi trên toàn quốc. Ba nhà mạng này cũng đang thử 2 nghiệm triển khai 5G ở một số tỉnh, thành phố. Hiện chúng ta đang chuẩn bị đấu giá băng tần 5G và phát triển cung cấp dịch vụ 5G trong thời gian tới. Có thể gọi mạng di động hiện nay là một mạng hỗn hợp cung cấp dịch vụ cùng lúc cả 3 thế hệ 2G/3G/4G.

Cùng với sự ra đời của các công nghệ mới, tiên tiến như điện thoại thông minh, máy tính bảng, mạng Wifi công cộng, các dịch vụ gọi thoại và nhắn tin miễn phí, bảo mật trên nền mạng di động - Internet. Có thể nói, kết nối di động băng rộng 3G/4G/Wifi hiện nay đã phổ biến đến đa số người dân, doanh nghiệp, chuyên dùng. Một thiết bị di động bất kỳ như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay hay bất cứ modul chuyên dùng nào có gắn Sim 4G đều có thể cùng lúc hoạt động được với đa mạng băng rộng 3G/4G/LTE/Wifi và 2G ở bất cứ đâu trong vùng phủ sóng. Một cá nhân, đôi khi sở hữu nhiều thiết bị di động để liên lạc, kết nối, truy nhập cho nhiều mục đích khác nhau.

Hiện đã có nhiều dòng điện thoại di động mới hỗ trợ 5G. Trong đó, có rất nhiều thuê bao/thiết bị kết nối có thể ẩn danh, ví dụ điển hình là khi sử dụng SIM rác, SIM Box, số ảo, các dịch vụ liên lạc trên nền mạng như Zalo, Viber, Whatsapp, Telegram, Messeger, Wechat v. Các trình bày ở sau đây sẽ sử dụng thuật ngữ định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư hay định vị thiết bị di động 4G. Những số liệu và thông tin sau được cung cấp trong [1] và [2]: - Tính đến cuối Tháng 12/2022, tổng số thuê bao điện thoại của Việt Nam ước đạt 129,7 triệu thuê bao, tăng 3,1% so với cùng thời điểm năm trước, trong đó số thuê bao di động là 127,2 triệu, tăng 3,7%; thuê bao truy nhập Internet băng rộng cố định ước đạt 21 triệu, tăng 8,6%.

- Trong Chiến lược quốc gia phát triển kinh tế số và xã hội số, mục tiêu phấn đấu đến năm 2025, tỉ lệ dân số đến độ tuổi trưởng thành có điện thoại thông minh đạt 95%. Nếu đạt được mục tiêu đó, cùng với các mục tiêu về hạ tầng số và chuyển đổi số khác thì số lượng thuê bao di động thông minh sẽ đến hàng trăm triệu (vì mỗi người có thể sở hữu một hoặc nhiều thuê bao), tức là số thuê bao sử dụng dịch vụ di động băng rộng 3G/4G/Wifi và tiến tới là 5G sẽ rất lớn. 3 Sự phát triển nêu trên vừa là điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế, xã hội của đất nước vừa là thách thức đối với công tác an ninh công cộng. Các đối tượng đang và sẽ triệt để lợi dụng sự phát triển của công nghệ, dịch vụ trên nền tảng điện thoại di động và không gian mạng vào hoạt động.

Việc tìm kiếm, xác định và truy vết các đối tượng có hành vi xâm phạm an ninh, trật tự là hết sức cần thiết nhưng rất khó khăn khi chúng lợi dụng dịch vụ di động 4G để hoạt động. Bên cạnh đó, đối với các yêu cầu như tìm kiếm cứu hộ, cứu nạn, việc định vị thiết bị di động để tìm kiếm một người gặp nạn gặp nhiều khó khăn do độ khả dụng, thời gian định vị và độ chính xác định vị chưa đáp ứng yêu cầu. Các dịch vụ xã hội liên quan đến vị trí di động như dẫn đường, tiếp thị từ xa cũng gặp nhiều khó khăn, hạn chế. Do vậy, định vị thiết bị di động 4G là một yêu cầu thực tế và cấp thiết.

Qua nghiên cứu và khảo sát thực tế, đã có một số giải pháp kỹ thuật định vị di động nhưng hiện không có giải pháp kỹ thuật nào hiệu quả đối với yêu cầu định vị thiết bị di động 4G cho công tác an ninh. Một số nghiên cứu liên quan cũng đã chỉ ra điều này [3], [4], [27], [29], [38]. Đa phần, các nghiên cứu chuyên sâu, các tiêu chuẩn là riêng cho kỹ thuật mạng (để kết nối phục vụ thuê bao), ứng dụng của chính nhà mạng cung cấp (như LBS) [43, 44, 45], hay nhiều hơn nữa là các ứng dụng dịch vụ như Google Maps, cứu hộ cứu nạn như E911 của Mỹ và Canada [25]…Hiện chưa có công trình nghiên cứu khoa học nào đã được công bố giải quyết riêng, tổng hợp về vấn đề định vị thiết bị di động 4G ứng dụng cho công tác an ninh. Ngoài ra, luận án chưa tìm thấy một tài liệu khả dụng nào của các nhà cung cấp thiết bị chuyên dụng trên thế giới về lĩnh vực này.

Một số nhà cung cấp có giới thiệu về giải pháp định vị di động 4G nói chung [35, 36, 55-58], nhưng chưa thấy bất cứ tài liệu khoa học, kỹ thuật cụ thể nào hoặc chỉ đưa ra được một phương án kỹ thuật với tác dụng còn rất hạn chế. Do vậy, vấn đề cấp thiết hiện nay là nghiên cứu, tìm hiểu được một giải pháp kỹ thuật hiệu quả (có tính khả thi, khả dụng, thời gian nhanh chóng và độ chính xác cao) để định vị thiết bị di động 4G và nghiên cứu mô hình hệ thống kỹ thuật ứng dụng cho công tác an ninh. (Bên cạnh ứng dụng cho an ninh công cộng, định vị thiết bị di 4 động 4G cũng có thể ứng dụng rộng rãi cho các lĩnh vực khác như thông tin điều hành, chỉ huy, cứu hộ cứu nạn, dẫn đường v. Với tầm quan trọng, ý nghĩa của định vị thiết bị di động nêu trên, sự phát triển của công nghệ di động, căn cứ vào yêu cầu thực tế, NCS đã đề xuất và được giao thực hiện Đề tài luận án Tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh”.

Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu Như đã phân tích ở trên, việc nghiên cứu đề tài luận án giải quyết cac yêu cầu sau đây: - Định vị được thiết bị di động 4G một cách khả thi, khả dụng, nhanh chóng và chính xác. Giải pháp kỹ thuật và mô hình hệ thống định vị thiết bị di động 4G và ứng dụng của nó cho công tác an ninh trong thực tế. - Các cơ sở khoa học, tính mới của giải pháp kỹ thuật, khả năng ứng dụng và hướng phát triển tiếp theo của giải pháp. - Những đóng góp mới về mặt học thuật của luận án, ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài * Mục tiêu của đề tài luận án là nghiên cứu, đề xuất giải pháp kỹ thuật có hiệu quả, từ đó xây dựng được mô hình hệ thống kỹ thuật tổng thể định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và ứng dụng cho công tác an ninh. Trên cơ sở đó làm rõ các đóng góp khoa học và thực tiễn của kết quả nghiên cứu; tính mới, tính hiệu quả của giải pháp được đề xuất; đáp ứng yêu cầu của cơ quan an ninh, phù hợp với điều kiện thực tế và có khả năng mở rộng đáp ứng yêu cầu phát triển trong tương lai. * Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm 6 vấn đề sau đây: (1) Làm rõ những luận giải, lý giải trước đây của việc định vị di động, định vị thiết bị di động thế hệ thứ tư và yêu cầu ứng dụng cho công tác an ninh. (2) Tìm hiểu tình hình nghiên cứu liên quan và các vấn đề đặt ra ở trong nước, ngoài nước; những mặt đã đạt được, còn tồn tại và hướng giải quyết.

5 (3) Cơ sở khoa học, các nguyên lý kỹ thuật định vị di động, các công nghệ định vị di động, các kỹ thuật và công nghệ có liên quan đến vấn đề đặt ra cần nghiên cứu. (4) Phân tích, lựa chọn và đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả định vị thiết bị di động, cụ thể là nâng cao tính khả thi, độ khả dụng, đảm bảo thời gian nhanh và tăng độ chính xác định vị.