Tài liệu Nghiên cứu cơ sở bảo đảm an toàn thông tin trong mạng di động thế hệ mới lte

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC ÁI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ BẢO ĐẢM AN TOÀN THÔNG TIN TRONG MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2015 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC ÁI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ BẢO ĐẢM AN TOÀN THÔNG TIN TRONG MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI LTE Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số:60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Phạm Thanh Giang Hà Nội – 2015 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Thanh Giang, người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi trong suốt thời gian dài thực hiện đề tài. Những ý kiến đóng góp và chỉ bảo không mệt mỏi của thầy chính là động lực để tôi hoàn thành mục tiêu nghiên cứu của luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt và tạo điều kiện học tập tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi gửi lời cảm ơn tới tập thể lớp K17 chuyên ngành Truyền dữ liệu và Mạng máy tính. Sự đoàn kết và tương trợ mà các thành viên trong lớp mang đến cho nhau thật nhiều ý nghĩa. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi, những người đã luôn ở bên động viên và khích lệ tôi trong suốt khóa học. 3 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 05 tháng 08 năm 2015 Nguyễn Ngọc Ái 4 TỔNG QUAN Trong báo cáo này, tôi đã thực hiện nghiên cứu về cơ sở đảm bảo an toàn thông tin của mạng di động LTE, tham khảo các tài liệu về mạng LTE của các nhà khoa học trong nước và quốc tế, từ đó có sự đánh giá so sánh và chỉ ra điểm yếu về an ninh bảo mật của mạng này. Cụ thể là điểm yếu ở cơ chế xác thực và thỏa thuận khóa giữa thiết bị đầu cuối và điểm cung cấp dịch vụ mạng. Qua các giải pháp tham khảo được tôi giới thiệu vềmột giải pháp khả thi nhất cải thiện nâng cao tính bảo mật của cơ chế xác thực và thỏa thuận khóa trong mạng LTE cũng như đo đạc, so sánh hiệu năng tính toán của giải pháp đó với giải pháp đang sử dụng. Từ các kết quả nghiên cứu và đo đạc tôi đánh giá tính khả thi cao của giải pháp cải thiện tính bảo mật trong khâu xác thực và thỏa thuận khóa trong mạng LTE, đó là cơ chế PE-AKA. Cơ chế này giúp giảm thiểu khả năng lộ lọt thông tin định danh và khóa bí mật của user trong quá trình xác thực và thỏa thuận khóa. Đồng thời tôi cũng giới thiệu về cơ chế đồng bộ lại để khắc phục điểm yếu của cơ chế chuyển giao khóa. Mặc dù có sự giới hạn về môi trường thử nghiệm do mạng LTE chưa thực sự phổ biến tại Việt Nam cũng như ít có các cơ quan đơn vị được phép thử nghiệm thực tế nhưng với minh chứng về mặt lý thuyết cũng như đo đạc về hiệu năng của giải pháp đề xuất, kết quả đạt được của luận văn có tính thực tế cao. Chương 1: Tổng quan công nghệ thông tin di động Chương 2: An toàn thông tin trong mạng LTE Chương 3: Nâng cao bảo mật mạng LTE 5 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG ....................... 15 1.1. Lịch sử phát triển mạng thông tin di động ........................................................................... 15 1.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 15 1.1.2. Thế hệ thứ nhất (1G) ..................................................................................... 16 1.1.3. Thế hệ thứ 2 (2G) ......................................................................................... 16 1.1.4. Thế hệ di động thứ 3 (3G) ............................................................................. 17 1.1.5. Công nghệ tiền 4G (pre-4G) ......................................................................... 18 1.1.6. Công nghệ di động băng rộng tương lai LTE ................................................ 19 1.2. Mục tiêu và triển vọng công nghệ LTE ................................................................................. 19 1.2.1. Mục tiêu của công nghệ LTE ........................................................................ 19 1.2.2. Triển vọng công nghệ LTE ........................................................................... 20 1.2.3. Các yêu cầu và tính năng cơ bản của LTE ..................................................... 21 1.3. Băng tần triển khai LTE......................................................................................................... 22 1.3.1. Các băng tần triển khai trong LTE ................................................................ 22 1.3.2. Băng tần 700 MHz........................................................................................ 24 1.3.3. Băng tần 2600 MHz ...................................................................................... 25 1.3.4. Các băng tần khác ......................................................................................... 25 1.4. Các dịch vụ của LTE .............................................................................................................. 26 1.5. Kiến trúc hệ thống mạng LTE ............................................................................................... 28 1.5.1. Kiến trúc tổng thể hệ thống LTE ................................................................... 28 1.5.2. Thiết bị người dùng (UE) .............................................................................. 30 1.5.3. E-UTRAN Nút B (eNodeB) .......................................................................... 30 1.5.4. Thực thể quản lý di động (MME).................................................................. 31 1.5.5. Cổng phục vụ (S-GW) .................................................................................. 33 1.5.6. Cổng mạng dữ liệu gói (P-GW) .................................................................... 34 1.5.7. Chức năng quy định chính sách và tính cước (PCRF) ................................... 35 1.5.8. Máy chủ thuê bao thường trú (HSS) .............................................................. 37 1.5.9. Miền dịch vụ................................................................................................. 37 CHƯƠNG 2 : AN TOÀN THÔNG TIN TRONG MẠNG LTE .................................. 39 6 2.1. Nguyên lý an toàn hệ thống thông tin.................................................................................... 39 2.1.1. Các nguyên tắc quan trọng của an toàn thông tin........................................... 39 2.1.2. Bảo vệ an toàn mạng..................................................................................... 39 2.1.3. Bảo mật thông tin dữ liệu .............................................................................. 41 2.1.4. Các kỹ thuật mã hóa bảo mật thông tin ......................................................... 43 2.2. Bảo mật trong mạng LTE....................................................................................................... 50 2.2.1. Kiến trúc LTE............................................................................................... 50 2.2.2. Định danh thuê bao ....................................................................................... 51 2.2.3. Bảo mật tại mỗi lớp ...................................................................................... 52 2.2.4. Xác thực và thỏa thuận khóa (LTE-AKA) ..................................................... 53 2.2.5. Phân cấp khóa trong LTE.............................................................................. 55 2.2.6. Quản lý chuyển giao khóa trong LTE (HANDOVER) .................................. 57 2.3. Điểm yếu trong bảo mật mạng LTE ...................................................................................... 59 2.3.1. Điểm yếu trong bảo mật truy nhập LTE ........................................................ 59 2.3.2. Điểm yếu trong bảo mật chuyển giao LTE .................................................... 62 CHƯƠNG 3 : NÂNG CAO BẢO MẬT MẠNG LTE .................................................. 65 3.1. Tăng tính bảo mật trong mạng LTE ..................................................................................... 65 3.1.1. Tăng tính riêng tư trong xác thực và thỏa thuận khóa (PE-AKA) .................. 65 3.1.2. Tăng cường quản lý nhận dạng ..................................................................... 65 3.1.3. PE-AKA ....................................................................................................... 66 3.1.4. Lấy IMSI từ RMSI ....................................................................................... 67 3.1.5. Đồng bộ lại (ReSynchronization) .................................................................. 67 3.2. Đánh giá hiệu năng thực thi ................................................................................................... 68 3.2.1. Cơ sở tính toán đánh giá ............................................................................... 69 3.2.2. Đánh giá hiệu năng trong bảo mật truy nhập ................................................. 70 3.2.3. Đánh giá hiệu năng trong bảo mật chuyển giao ............................................. 72 CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 75 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 0÷9 2G Second Generation Mạng di động thế hệ thứ 2 3G Third Generation Mạng di động thế hệ thứ 3 3DES Triple Data Encryption Standard Mã hóa dữ liệu bộ ba chuẩn hóa 3GPP 3GPP2 4G Third Generation Partnership Project Third Generation Partnership Project 2 Fourth Generation Đề án hợp tác thế hệ thứ ba Đề án 2 hợp tác thế hệ thứ ba Mạng di động thế hệ thứ 4 A AAA AES AKA Authentication, Authorization and Accounting Advanced Encryption Standard Authentication and Key Agreement Xác thực, cấp quyền và thanh toán Tiên chuẩn mã hóa tiên tiến Xác thực và thỏa thuận khóa Access Security Management Thực thể quản lý bảo mật truy Entity nhập AuthenticationCenter Trung tâm xác thực Bandwidth Băng thông CA Certificate Authority Chứng thực số CIA Confidential Integrity Availability ASME AuC B BW C Tính bảo mật, tính an toàn, tính sẵn sàng D DES Data Encryption Standard Mã hóa dữ liệu chuẩn 8 Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt E EDGE EEA eNodeB Enhanced Data Rates for GSM GSM tốc độ dữ liệu cao/ GPRS Evolution/ Enhanced GPRS nâng cao EPS Encryption Algorithm Thuật toán mã hóa EPS Enhanced NodeB/ NodeB nâng cao EPC E-UTRAN NodeB Evolved Packet Core EPS Evolved Packet System Hệ thống gói tiên tiến E- Evolved Universal Terrestrial Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN Radio Access Network tổng hợp tiến bộ/nâng cao EV-DO G Evolution-Data Optimized Phát triển – Tối ưu hóa Dữ liệu GSM EGDE Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến Edge, Network GSM Gateway MSC General Packet Radio Service MSC Cổng Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn Communication cầu Globally Unique Temporary Nhận dạng tạm thời toàn bộ những Identity khác thường HLR Home Location Register Ghi nhận định vị thường trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSGW High Rate Packet Data Service Gateway Cổngdịch vụ dữ liệu gói tốc độ cao HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao GERAN GMSC GPRS GSM GUTI Lõi mạng gói tiên tiến H 9 Viết tắt Tiếng Anh Home Subscriber Server/ Home HSS Subscription Server Tiếng Việt Máy chủ thuê bao thường trú I IEEE IMEI Institute of Electrical and Viện nghiên cứu kỹ thuật điện và Electronics Engineers điện tử International Mobile Equipment Identity Nhận dạng thiết bị di động quốc tế International Mobile Subscriber Nhận dạng thuê bao di động quốc Identity tế IP Internet Protocol Giao thức Internet IPSec Internet Protocol Security Bảo mật giao thức Internet Intergrated Services Digital Network ITU Telecommunication Mạng kỹ thuật số tích hợp đa dịch vụ Liên minh viễn thông quốc tế – Standadization Sector Tiểu ban chuẩn hóa viễn thông LAN Local Area Network Mạng cục bộ LTE Long Term Evolution Phát triển tương lai (trong dài hạn) Medium Access Control/ Điều khiển truy nhập trung gian/ Message Authentication Code Mã hóa xác thực thông điệp MGW Media Gateway Cổng truyền thông MIMO MME Multiple Input Multiple Output Mobility Mangament Entity Nhiều đầu và nhiều đầu ra Thực thể quản lý di động NAT Network Address Translation Dịch chuyển địa chỉ mạng NDS Network Domain Security Bảo mật vùng mạng IMSI ISDN ITU-T L M MAC N O 10 Viết tắt Tiếng Anh Optical Frequency Division OFDM multiplexing/ Orthogonal Frequency Division Multiple OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Tiếng Việt Ghép kênh quang theo tần số/ Ghép kênh theo tần số trực giao Đa truy nhập theo tần số trực giao P Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói Packet Data Network Protocol Data Unit/ Packet Data Mạng dữ liệu gói Khối/ đơn vị dữ liệu giao Unit thức/Khối dữ liệu gói Packet gateway Public Key Infrastructure Cổng dữ liệu gói Hạ tầng khóa công khai Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch Network công cộng Radio Access Network/ Radio Mạng truy nhập vô tuyến/ Nút truy Access Node nhập vô tuyến R-SGW S Roaming Signalling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng S-GW SSID Service gateway Service Set Identity Cổng dịch vụ Nhận dạng thiết lập dịch vụ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian TDSCDMA U Time Division Synchronous Code CDMA đồng bộ theo thời gian Division Multiple Access PDCP PDN PDU P-GW PKI PSTN R RAN T 11 Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Giao thức gói dữ liệu người sử UDP User Datagram Protocol UE User Equipment Universal Mobile Thiết bị người sử dụng Hệ thống viễn thông di động toàn Telecommunications System cầu User Service Indentity Module/ Module nhận dạng dịch vụ người UMTS Subscriber Identity dùng/ Module nhận dạng thuê bao Module UMTS UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Network di UMTS VoIP Voice over IP Thoại qua giao thức IP VPN Vitual Private Network Mạng riêng ảo UMTS USIM UTRAN dụng V 12 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Băng tần triển khai LTE ............................................................................. 22 Bảng 1.2 Một vài dịch vụ và ứng dụng của LTE ....................................................... 26 Bảng 3.1 Độ trễ tính toán của các hàm cơ sở ............................................................. 69 Bảng 3.2 Số lần thực hiện hàm HMAC-SHA-256 ..................................................... 69 Bảng 3.3 Độ dài bits của các ký hiệu mã hóa ............................................................ 70 Bảng 3.4 Số bits chi phí cho mỗi bản tin xác thực ..................................................... 70 Bảng 3.5 Độ trễ tính toán trong bảo mật truy nhập .................................................... 71 Bảng 3.6 Chi phí kết nối trong bảo mật truy nhập ..................................................... 72 Bảng 3.7 Độ trễ tính toán trong bảo mật chuyển giao ................................................ 73 Bảng 3.8 Chi phí kết nối trong bảo mật chuyển giao ................................................. 73 13 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 : Lộ trình phát triển mạng thông tin di động ............................................... 15 Hình 1.2 : Kiến trúc mạng LTE................................................................................. 20 Hình 1.3 : Lộ trình phát triển của LTE và các công nghệ khác .................................. 21 Hình 1.4 : Băng tần sử dụng cho công nghệ LTE ...................................................... 24 Hình 1.5 : Kiến trúc hệ thống SAE/LTE ................................................................... 29 Hình 1.6 : Kết nối giữa eNodeB với các nút khác...................................................... 31 Hình 1.7 : Kết nối giữa MME và các nút khác .......................................................... 32 Hình 1.8 : Kết nối giữa S-GW và các nút khác .......................................................... 34 Hình 1.9 : Kết nối giữa P-GW và các nút khác .......................................................... 35 Hình 1.10 : Kết nối giữa PCRF với các nút khác ....................................................... 36 Hình 2.1 : Các mức độ bảo vệ mạng/thông tin dữ liệu ............................................... 40 Hình 2.2 : Kỹ thuật mã hóa khóa đối xứng ................................................................ 43 Hình 2.3 : Kỹ thuật sử dụng hai khóa (cặp khóa) để mã hóa/giải mã dữ liệu ............. 45 Hình 2.4 : Kỹ thuật mã hóa dữ liệu của người gửi ..................................................... 46 Hình 2.5 : Kỹ thuật mã hóa khóa đối xứng của người gửi ......................................... 46 Hình 2.6 : Kỹ thuật mã hóa khóa công khai của người nhận...................................... 46 Hình 2.7 : Kỹ thuật giải mã khóa đối xứng ngẫu nhiên đã được mã hóa .................... 47 Hình 2.8 : Tạo mã hàm băm ...................................................................................... 48 Hình 2.9 : Cặp khóa xác thực .................................................................................... 48 Hình 2.10 : Mã hóa ký số riêng và khóa xác thực công khai...................................... 49 Hình 2.11 : Giải mã chuỗi hàm băm đã được mã hóa bởi khóa ký sống riêng............ 49 Hình 2.12 : Kiến trúc mạng LTE ............................................................................... 50 Hình 2.13 : Cơ chế bảo vệ tại C-plane stack .............................................................. 53 Hình 2.14 : Cơ chế bảo vệ tại U-plane stack.............................................................. 53 Hình 2.15 : Bản tin trao đổi trong LTE-AKA ............................................................ 54 Hình 2.16 : Phân cấp và quản lý khóa trong bảo mật LTE ......................................... 56 Hình 2.17 : Luồng tin chuyển giao giữa các eNodeB ................................................ 58 Hình 2.18 : Sự phân bố của IMSI và dữ liệu xác thực ............................................... 60 Hình 2.19 : Luồng bản tin giao tiếp trong LTE-AKA ................................................ 62 Hình 2.20 : Luồng bản tin giao tiếp của chuyển giao inter-eNodeB trong LTE ......... 62 Hình 3.1 : Cấu trúc của quản lý định danh và phân cấp ............................................. 65 Hình 3.2 : Bản tin trao đổi trong PE-AKA ................................................................ 66 Hình 3.3 : Bản tin trao đổi trong cơ chế đồng bộ lại .................................................. 68 14 PHẦN MỞ ĐẦU Mạng thông tin di động băng rộng thế hệ mớiLTE là tiêu chuẩn được đưa ra bởi 3GPP sau HSPA+, bắt đầu được nghiên cứu vào 11/2004, LTE cung cấp tốc độ dữ liệu lý thuyết đường xuống lên đến 100Mbps và 50Mbps cho đường lên cho dải băng thông 20MHz và có thể hoạt động ở dải băng thông từ 1,25Mhz đến 20Mhz. LTE còn có những đặc trưng nổi bật khác như: nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm trễ, có thể tích hợp với các mạng khác, … Thực tế cho thấy, hầu hết các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu thế giới đã nhận ra tiềm năng to lớn này và đã cùng bắt tay với các các nhà cung cấp dịch vụ di động lớn trên thế giới thực hiện các cuộc thử nghiệm trên công nghệ LTE và đã đạt những thành công đáng kể. Việt Nam cũng không đứng ngoài xu hướng phát triển đó, các mạng Vinaphone, Mobifone, Vietel, EVN Telecom đã khai trương mạng thông tin di động băng rộng 3G của mình. Đồng thời mới đây Bộ Thông tin và Truyền thông đã cho phép các doanh nghiệp là VNPT, Viettel, FPT Telecom, CMC và VTC được thử nghiệm xây dựng và ứng dụng mạng thông tin di động 4G trong vòng 1 năm, để rồi sau đó, nếu doanh nghiệp nào thực sự muốn phát triển lên 4G thì phải tham gia đấu giá tần số để nhận được giấy phép. Cùng với sự phát triển rất nhanh của mạng thông tin di động băng rộng, các dịch vụ đa phương tiện băng rộng đang được ứng dụng triển khai rộng rãi. Tuy nhiên, các dịch vụ càng phức tạp, chất lượng càng cao thì càng đòi hỏi phải được bảo đảm an toàn thông tin dữ liệu, nhất là đối với các mạng vô tuyến. Cho nên vấn đề đặt ra là phải bảo đảm an toàn cho mạng thông tin di động băng rộng trước sự phát triển ngày càng tinh vi của tội phạm mạng có chủ đích. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu cơ sở bảo đảm an toàn thông tin trong mạng di động thế hệ mới LTE” là cần thiết và có ý nghĩa ứng dụng thực tế mạng thông tin di động của Việt Nam. 15 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1. Lịch sử phát triển mạng thông tin di động 1.1.1. Giới thiệu chung Trong hơn 25 năm qua, sự phát triển của Internet cũng như các công nghệ không dây đã có ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống của con người trên toàn thế giới. Hai nhân tố này đã làm thay đổi cách con người liên lạc với nhau, cách làm việc, cách hưởng thụ cuộc sống thông qua các loại hình thông tin mới. Với sự ra đời của mạng thông tin di động, chúng ta đã chứng kiến sự tăng vọt về nhu cầu dịch vụ không dây và di động: năm 2002 đánh dấu thời điểm lịch sử của mạng viễn thông với số thuê bao di động vượt số thuê bao cố định. Theo ITU, tháng 9 năm 2005, số thuê bao di động trên thế giới đã vượt con số 2 tỷ. Theo thống kê của Hiệp hội các nhà cung cấp di động toàn cầu (GSA) gần đây, con số này đã vượt 3 tỷ. Tuy nhiên, lịch sử của mạng di động ô mạng mới bắt đầu trải qua 3 thế hệ và ở nhiều quốc gia nó vẫn còn đang ở thế hệ thứ 2. Hình 1.1 : Lộ trình phát triển mạng thông tin di động [3] Trong mạng thông tin di động, mỗi thập kỷ chứng kiến một thế hệ mạng mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 80. Đó là thế hệ điện thoại di động tương tự. Thế hệ thứ hai (2G) bắt đầu nổi lên từ những năm đầu của thập kỷ 90. 2G là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu. Thế hệ thứ 16 ba (3G) bắt đầu từ năm 2001 ở Nhật, đặc trưng bởi dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện tốc độ cao. Hệ thống trước thế hệ thứ tư (4G), nền móng cho thế hệ 4G bắt đầu được thương mại hóa vào đầu năm 2010.Lộ trình phát triển của các công nghệ mạng di động như Hình 1.1. [1] 1.1.2. Thế hệ thứ nhất (1G) Mạng di động 1G bắt đầu ở Nhật vào năm 1979. Đây là hệ thống truyền tín hiệu tương tự. Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là hệ thống điện thoại di động tiên tiến (AMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn phần (TACS), TACS của Nhật Bản (JTACS), điện thoại di động Bắc Âu (NMT). Tuy chưa hoàn hảo về mặt công nghệ và kỹ thuật, thế hệ thông tin di động 1G này thực sự là một mốc phát triển quan trọng của ngành viễn thông (khái niệm di động “mobile” đã bắt đầu đi vào phục vụ nhu cầu liên lạc của con người trong đời sống hằng ngày). Những điểm yếu của thế hệ 1G liên quan đến chất lượng truyền tin kém, vấn đề bảo mật và sử dụng kém hiệu quả tài nguyên tần số. 1.1.3. Thế hệ thứ 2 (2G) Hệ thống mạng 2G đặc trưng với công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số. Kỹ thuật này cho phép sử dụng tài nguyên băng tần hiệu quả hơn nhiều so với 1G. Hầu hết các thuê bao di động trên thế giới hiện đang dùng công nghệ 2G. Công nghệ 2G sẽ còn tồn tại thêm một thời gian dài nữa trước khi 3G thay thế hoàn toàn nó. Những chuẩn di động 2G chính bao gồm hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM), IS-136 và đa truy nhập theo mã thế hệ 1 (CdmaOne). 1.1.3.1. GSM Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian (TDMA) và ghép hai hướng theo tần số (FDD). GSM đã trở thành công nghệ truyền thông có tốc độ phát triển nhanh nhất từ trước đến nay và là một chuẩn di động được triển khai rộng rãi trên thế giới. 1.1.3.2. IS-136 Được biết đến với tên AMPS số (D-AMPS), sử dụng kỹ thuật đa truy nhập TDMA và ghép hai hướng theo thời gian (TDD), công nghệ này được triển khai nhiều ở Châu Mỹ, đặc biệt là ở Mỹ và Canada. IS-136 được triển khai như một mạng che phủ kỹ thuật số, phủ trên nền hạ tầng mạng AMPS. IS-136 cho tốc độ dữ 17 liệu đến 30 Kbps. 1.1.3.3. CdmaOne Chuẩn di động của liên minh viễn thông quốc tế (ITU) IS-95 sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo mã (CDMA). CDMA được chuẩn hoá năm 1993. Ngày nay, có 2 phiên bản IS-95, gọi là IS-95A và IS-95B. IS-95A dùng FDD với độ rộng kênh 1,25 MHz cho mỗi hướng lên và xuống. Tốc độ dữ liệu tối đa của IS-95A là 14,4 Kbps. IS-95B có thể cung ứng tốc độ dữ liệu lên đến 115 Kbps bằng cách gộp 8 kênh lại với nhau. Với tốc độ này, IS-95B còn được phân loại như là công nghệ 2,5G. 1.1.4. Thế hệ di động thứ 3 (3G) Mạng 3G đặc trưng bởi tốc độ dự liệu cao, dung lượng của hệ thống lớn, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và nhiều cải tiến khác. Có một loạt các chuẩn công nghệ di động 3G, tất cả đều dựa trên CDMA, bao gồm: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) dùng cả FDD, TDD, CDMA2000 và CDMA phân theo không gian, thời gian. 1.1.4.1. UMTS (đôi khi còn được gọi là 3GSM) Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo mã băng rộng (WCDMA). UMTS được chuẩn hoá bởi đề án hợp tác thế hệ thứ 3 (3GPP). UMTS là công nghệ 3G được lựa chọn bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G. Tốc độ dữ liệu tối đa là 1920Kbps (gần 2Mbps). Nhưng trong thực tế tốc độ này chỉ tầm 384Kbps. Để cải tiến tốc độ dữ liệu của 3G, hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA đã được đề nghị. Khi cả 2 kỹ thuật này được triển khai, người ta gọi chung là HSPA. HSPA thường được biết đến như là công nghệ 3,5G. 1.1.4.2. CDMA2000 Bước phát triển tiếp theo của 2G CdmaOne, đại diện cho họ công nghệ bao gồm CDMA2000 1xRTT (công nghệ phát vô tuyến), CDMA2000 EV-DO (phát triển - tối ưu hóa dữ liệu) và CDMA2000 EV-DV (phát triển - dữ liệu và thoại). CDMA2000 được chuẩn hoá bởi 3GPP2. Lẽ thường thì CDMA2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cung cấp mạng CdmaOne. 1.1.4.3. CDMA phân không gian - thời gian (TD-SCDMA) Chuẩn di động được đề nghị bởi hiệp hội các tiêu chuẩn thông tin Trung Quốc 18 (CCSA) và được ITU duyệt vào năm 1999. Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc. TDSCDMA dùng TDD. TD-SCDMA có thể hoạt động trên một dải tần hẹp 1,6 MHz (cho tốc độ 2 Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps). Ngày phát hành của TDSCDMA đã bị đẩy lùi nhiều lần. Nhiều thử nghiệm về công nghệ này đã diễn ra từ đầu năm 2004 cũng như trong thế vận hội Olympic gần đây. 1.1.5. Công nghệ tiền 4G (pre-4G) Công nghệ tiền 4G có thể kể đến: Phát triển tương lai (LTE), di động băng siêu rộng (UMB) và tiêu chuẩn của Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE) IEEE 802.20. Điểm chung cho cả 3 công nghệ này là đều sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). 1.1.5.1. 3GPP LTE Hệ thống 3GPP LTE, là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G. Liên minh Viễn thông Quốc tế đã định nghĩa truyền thông di động thế hệ thứ 4 là điện thoại đa phương tiện dựa trên giao thức Internet tiên tiến (IMT Advanced) và chia thành hai hệ thống dùng cho di động tốc độ cao và di động tốc độ thấp. 3GPP LTE là hệ thống dùng cho di động tốc độ cao. Ngoài ra, đây còn là công nghệ hệ thống tích hợp đầu tiên trên thế giới ứng dụng cả chuẩn 3GPP LTE và các chuẩn dịch vụ ứng dụng khác, do đó người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu giữa các mạng LTE và các mạng GSM/ (GPRS) hoặc UMTS dựa trên WCDMA. 1.1.5.2. UMB Chuẩn UMB hiện nay được phát triển bởi 3GPP2 và là một trong 3 công nghệ được kỳ vọng hướng tới công nghệ 4G. 1.1.5.3. IEEE 802.x Chuẩn này bắt nguồn từ mạng vô tuyến không dây (WiFi), sau đó tiến lên IEE 802.16e rồi IEEE 802.16m và hiện nay đang phát triển lên IEEE 802.20. Chuẩn IEEE 802.20 còn được gọi là truy nhập vô tuyến băng rộng di động (MBWA). Nó có thể hỗ trợ ngay cả khi đang di chuyển với vận tốc lên tới 250 km/h. 19 1.1.6. Công nghệ di động băng rộng tương lai LTE LTE là thế hệ thứ tư tương lai của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển. UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới. Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004, 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi phát triển trong tương lai (LTE). 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối. Đặc tả kỹ thuật cho LTE đã được hoàn tất và sản phẩm LTE được ra mắt thị trường trong năm 2006. 1.2. Mục tiêu và triển vọng công nghệ LTE 1.2.1. Mục tiêu của công nghệ LTE Mục tiêu được đặt ra cho phát triển công nghệ LTE là: * Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20 MHz: Hướng xuống 100 Mbps, hướng lên 50 Mbps. * Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1 MHz so với mạng HSDPA Rel.6: Hướng xuống gấp 3 đến 4 lần, hướng lên gấp 2 đến 3 lần. * Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0 ÷ 15 km/h. Vẫn hoạt động tốt với tốc độ từ 15 ÷ 120 km/h. Vẫn duy trì được hoạt động khi thuê bao di chuyển với tốc độ từ 120 ÷ 350 km/h (thậm chí 500 km/h tùy băng tần). * Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5 km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30 km. Từ 30 ÷ 100 km thì không hạn chế. * Độ dài băng thông linh hoạt: có thể hoạt động với các dải băng tần 1,25 MHz; 1,6 MHz; 2,5 MHz; 5 MHz; 10 MHz; 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Hỗ trợ cả 2 trường hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau hoặc không. Để đạt được mục tiêu này, sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật vô tuyến đa truy nhập theo tần số trực giao (OFDMA), kỹ thuật anten nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO). Ngoài ra hệ thống này sẽ chạy hoàn toàn trên nền giao thức Internet (IP) và hỗ trợ cả 2 chế độ FDD và TDD.