Đồ án Nghiên cứu các phương pháp bảo mật trong hệ thống GSM

Ngành công nghiệp viễn thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm vừa qua, đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến và di động. 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. Các công nghệ truyền bản tin cũng tạo ra một giải pháp hữu hiệu trong việc gắn kết hai hệ thống lớn là viễn thông di động và Internet. Bằng phương pháp này, người dùng có thể gửi các bản tin, nhạc chuông, logo, hình ảnh cho điện thoại di động từ Internet. Ngoài ra, người dùng có thể tra cứu thông tin thị trường chứng khoán, thời tiết, chương trình truyền hình . ở mọi nơi, mọi thời điểm và ở các thiết bị khác nhau. Điều này tạo những chuyển biến tích cực trong đời sống kinh tế xã hội trên toàn thế giới, thay đổi cách sống của con người. 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 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. Với sự phát triển của thông tin và công nghệ máy tính người ta đã đưa ra các giải pháp về nhận thực và bảo mật khác nhau. Một số công nghệ nhận thực và bảo mật hiện nay cho phép tạo nên các giải pháp truyền tin di động được đảm bảo từ đầu cuối tới đầu cuối. Các công nghệ này cần phải được hợp nhất vào trong ứng dụng từ lúc bắt đầu thiết kế cho tới khi thực hiện xong. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống thông tin di động tổ ong có rất ít các phương pháp an ninh bảo vệ những người dùng và nhà khai thác hệ thống. Hệ thống di động thế hệ thứ hai nhìn chung đã thực hiện điều này tôt hơn nhiều và bảo vệ được tính bí mật và nhận thực thực thể.Do đó, việc nghiên cứu an ninh thông tin trong hệ thống này là một điều hết sức cần thiết để có thể bảo vệ tốt hơn dữ liệu của người dùng. Khi ta hiểu rõ hơn cách thức bảo vệ dữ liệu của hệ thống di động thế hệ thứ hai để từ đó phát hiện ra những ưu và nhược điểm của hệ thống và có những cải tiến trong những hệ thống sau đó. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó em đã chọn nghiên cứu đề tài “Các phương pháp đảm bảo an ninh trong hệ thống GSM” để làm đồ án tốt nghiệp.Nội dung đồ án chia làm 5 chương : Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào Chương II : Bảo mật trong mạng GSM Chương III : Mối tương quan giữa UMTS và GSM Chương IV : Mô phỏng các thuật toán Chương V : Kết luận

doc95 trang | Chia sẻ: tuandn | Ngày: 03/05/2013 | Lượt xem: 2363 | Lượt tải: 14download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đồ án Nghiên cứu các phương pháp bảo mật trong hệ thống GSM, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CƠ SỞ II – TP. HỒ CHÍ MINH  CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NA M ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC   NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC BỘ MÔN : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG KHOA : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Sinh Viên : NGUYỄN QUANG TRUNG Lớp : Kỹ Thuật Viễn Thông K45 Tên đề tài : NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG GSM Nội dung của các bản thuyết trình : 1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM 2. MÔ HÌNH BẢO MẬT TRONG GSM Mô hình bảo mật trong mạng GSM 3. QUÁ TRÌNH NHẬN THỰC TRONG MẠNG GSM Trình bày quá trình nhận thực trong hệ thống GSM 4. THUẬT TOÁN A3, A8 VÀ COMP 128 Mô hình các thuật toán A3, A8 và COMP 128 5. QUÁ TRÌNH NÉN TRONG THUẬT TOÁN COMP 128 Tìm hiểu quá trình nén trong thuật toán COMP 128 6. QUÁ TRÌNH MÃ HÓA TRONG MẠNG GSM Trình bày quá trình mã hóa trong hệ thống GSM 7. THUẬT TOÁN A5 Mô hình thuật toán A5 8. CẤU TRÚC THUẬT TOÁN A5 Tìm hiểu về thuật toán A5 Các bản vẽ chính : 1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG GSM 2. MÔ HÌNH BẢO MẬT TRONG GSM 3. QUÁ TRÌNH NHẬN THỰC TRONG GSM 4. THUẬT TOÁN A3, A8 VÀ COMP 128 5. QUÁ TRÌNH NÉN TRONG THUẬT TOÁN COMP 128 6. QUÁ TRÌNH MÃ HÓA TRONG GSM 7. THUẬT TOÁN A5 8. CẤU TRÚC THUẬT TOÁN A5 Những yêu cầu bổ xung thêm trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp hoặc chuyên đề : Cán bộ hướng dẫn : Th.S VÕ TRƯỜNG SƠN Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp : 24/02/2009 Ngày bắt đầu thiết kế tốt nghiệp : 25/02/2009 Ngày nộp bản thiết kế tốt nghiệp :23/05/2009 Ngày 23 tháng 05 năm 2009 TL. HIỆU TRƯỞNG PHÓ GIÁM ĐỐC CƠ SỞ II  TRƯỞNG BỘ MÔN  GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN       Đã nhận nhiệm vụ TKTN Sinh viên : NGUYỄN QUANG TRUNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  Thành phố Hồ Chí Minh tháng 05 năm 2009    GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN   NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT  Thành phố Hồ Chí Minh tháng 05 năm 2009    GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT   MỤC LỤC MỤC LỤC 5 LỜI NÓI ĐẦU 9 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 90 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 CHƯƠNG I . TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO 1.1.Hệ thống thông tin di động tế bào 11 1.1.1. Khái niệm 11 1.1.2. Cấu trúc 11 1.1.2.1. Cấu trúc hệ thống thoại di động trước đây 11 1.1.2.2. Cấu trúc hệ thống thông tin di động tế bào 11 1.1.3. Phân loại cell 13 1.2. Lịch sử phát triển các hệ thống mạng di động 14 1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G ) 14 1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G ) 15 1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G 16 1.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G 16 1.3. Hệ thống thông tin di động GSM 16 1.3.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM 16 1.3.2. Các thành phần chức năng trong hệ thống 17 1.3.2.1. Trạm di động ( MS – Mobile Station ) 18 1.3.2.2. Phân hệ trạm gốc ( BSS – Base Station Subsystem ) 18 1.3.2.2.1. Khối TRAU (Transcode/Rate Adapter Unit ) 19 1.3.2.2.2. Khối BTS ( Base Tranceiver Station ) 19 1.3.2.2.3. Khối BSC (Base Station Controller) 19 1.3.2.3. Phân hệ chuyển mạch SS ( SS - Switching Subsystem ) 19 1.3.2.3.1. Trung tâm chuyển mạch di động MSC 20 1.3.2.3.2. Bộ ghi định vị thường trú ( HLR – Home Location Register ) 21 1.3.2.3.3. Bộ ghi định vị tạm trú ( VLR – Visitor Location Register ) 22 1.3.2.3.4. Thanh ghi nhận dạng thiết bị ( EIR – Equipment Identity Register ) 22 1.3.2.3.5. Khối chứng thực thuê bao ( AuC – Authetication Center ) 22 1.3.2.4. Phân hệ khai thác và bảo duỡng 23 1.3.2.4.1. Khai thác 23 1.3.2.4.2. Bảo dưỡng 23 1.4. Hệ thống thông tin di động UMTS 24 1.4.1. Mô hình hệ thống thông tin di động UMTS 24 1.4.2. Các thành phần chức năng trong hệ thống 24 1.4.2.1. Trạm di động 24 1.4.2.2. Phân hệ trạm gốc 26 1.4.2.2.1. Cấu trúc của UTRAN 27 1.4.2.3. Mạng lõi UMTS ( CN – Core Network ) 29 1.4.2.3.1. Máy chủ quản lý thuê bao HSS 30 1.4.2.3.2. Miền chuyển mạch kênh CS 31 1.4.2.3.3. Miền chuyển mạch gói PS 32 CHƯƠNG II : BẢO MẬT TRONG MẠNG GSM 2.1. Mô hình bảo mật trong mạng GMS 34 2.2. Mục đích của việc bảo mật 36 2.3. Một số đặc trưng bảo mật trong GSM 36 2.3.1. Chứng thực thuê bao 36 2.3.1.1. Cơ chế chứng thực trong hệ thống GSM 38 2.3.1.2 Quá trình chứng thực như sau 38 2.3.2. Mã hóa 39 2.3.2.1. Tạo key mã hóa Kc 39 2.3.2.2. Mã hóa dữ liệu 40 2.2.3. Một số đặc trưng bảo mật khác 40 2.2.3.1. Bảo vệ nhận dạng thuê bao 40 2.3.3.2. Card thông minh 41 2.4. Thuật toán nhận thực 41 2.4.1. Giới thiệu 41 2.4.2. Thủ tục nhận thực 42 2.4.3. Thuật toán COMP 128 45 2.4.3.1. Mô tả thuật toán COMP 128 45 2.4.3.2. Chức năng cơ bản của COMP 128 46 2.4.3.2.1. Thuật toán Nén – Cấu trúc Butterfly 47 2.4.3.2.2. Hoán vị 48 2.4.3.2.3. Đầu ra của thuật toán COMP 128 48 2.4.5. Tấn công COMP 128 49 2.4.5.1. Narrow Pipe 49 2.4.5.2. Phân vùng tấn công 50 2.5. Thuật toán A5 50 2.5.1. Giới thiệu 50 2.5.2. Thủ tục mã hóa 51 2.5.3. Thuật toán A5 52 3.5.3.1. Cấu trúc thuật toán A5 52 2.5.3.2. Mô tả thuật toán A5 53 2.5.4. Tấn công thuật toán A5/1 56 2.5.4.1. Hệ thống GSM Interceptor Pro 58 2.6. Hạn chế của bảo mật trong mạng GSM 58 2.6.1. Ưu điểm của GSM từ quan điểm UMTS 58 2.6.2. Nhược điểm của GSM 59 CHƯƠNG III : MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA UMTS VÀ GSM 3.1. Giới thiệu về bảo mật trong mạng UMTS 61 3.1.1. Đặc điểm bảo mật trong mạng UMTS 61 3.1.1.1. Bảo mật truy nhập mạng 62 3.1.1.2. Bảo mật lĩnh vực mạng 63 3.1.1.3. Bảo mật miền người sử dụng 63 3.1.1.4. Bảo mật miền ứng dụng 63 3.1.1.5. Tính định hình và tính rõ ràng của bảo mật 64 3.1.2. Cấu trúc bảo mật mạng UMTS 64 3.2. Nhận thực trong UMTS 65 3.2.1. Cơ chế nhận thực trong mạng UMTS 65 3.2.2. Chứng thực dữ liệu từ HE đến SN 66 3.2.3. Phát sinh vecto chứng thực AV 67 3.2.3. Chứng thực và khóa thỏa thuận 68 3.2.4. Cơ chế đồng bộ lại 70 3.2.5. Thông báo chứng thực thất bại từ SGSN/VLR tới HLR 71 3.3. Mã hóa trong UMTS 71 3.3.1. Giới thiệu 71 3.3.2. Phương thức mã hóa 72 3.3.3. Các thông số đầu vào của thuật toán 72 3.3.3.1. COUNT – C 72 3.3.3.2. Ciphering key (CK) 73 3.3.4. Thuật toán nguyên ( Integrity Algorithms ) 74 3.3.5. Các thông số đầu vào 75 3.3.5.1. COUNT – I 75 3.3.5.2. Khóa nguyên (IK) 75 3.3.5.3. Fresh 75 3.3.6.4. Bit định hướng Direction 76 3.4. Mối tương quan của UMTS và GSM 76 CHƯƠNG IV : MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN A3, A8 VÀ A5 4.1. Chương trình mô phỏng thuật toán A3, A8 77 4.2. Chương trình chạy mô phỏng thuật toán A51 83 CHƯƠNG V : KẾT LUẬN LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp viễn thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong những năm vừa qua, đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến và di động. 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. Các công nghệ truyền bản tin cũng tạo ra một giải pháp hữu hiệu trong việc gắn kết hai hệ thống lớn là viễn thông di động và Internet. Bằng phương pháp này, người dùng có thể gửi các bản tin, nhạc chuông, logo, hình ảnh… cho điện thoại di động từ Internet. Ngoài ra, người dùng có thể tra cứu thông tin thị trường chứng khoán, thời tiết, chương trình truyền hình…. ở mọi nơi, mọi thời điểm và ở các thiết bị khác nhau. Điều này tạo những chuyển biến tích cực trong đời sống kinh tế xã hội trên toàn thế giới, thay đổi cách sống của con người. 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 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. Với sự phát triển của thông tin và công nghệ máy tính người ta đã đưa ra các giải pháp về nhận thực và bảo mật khác nhau. Một số công nghệ nhận thực và bảo mật hiện nay cho phép tạo nên các giải pháp truyền tin di động được đảm bảo từ đầu cuối tới đầu cuối. Các công nghệ này cần phải được hợp nhất vào trong ứng dụng từ lúc bắt đầu thiết kế cho tới khi thực hiện xong. Thế hệ đầu tiên của các hệ thống thông tin di động tổ ong có rất ít các phương pháp an ninh bảo vệ những người dùng và nhà khai thác hệ thống. Hệ thống di động thế hệ thứ hai nhìn chung đã thực hiện điều này tôt hơn nhiều và bảo vệ được tính bí mật và nhận thực thực thể.Do đó, việc nghiên cứu an ninh thông tin trong hệ thống này là một điều hết sức cần thiết để có thể bảo vệ tốt hơn dữ liệu của người dùng. Khi ta hiểu rõ hơn cách thức bảo vệ dữ liệu của hệ thống di động thế hệ thứ hai để từ đó phát hiện ra những ưu và nhược điểm của hệ thống và có những cải tiến trong những hệ thống sau đó. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó em đã chọn nghiên cứu đề tài “Các phương pháp đảm bảo an ninh trong hệ thống GSM” để làm đồ án tốt nghiệp.Nội dung đồ án chia làm 5 chương : Chương I : Tổng quan về hệ thống thông tin di động tế bào Chương II : Bảo mật trong mạng GSM Chương III : Mối tương quan giữa UMTS và GSM Chương IV : Mô phỏng các thuật toán Chương V : Kết luận Do hạn chế về kinh nghiệm, trình độ nghiên cứu và thời gian có hạn nên đồ án 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 đồ án của em được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Th.S. Võ Trường Sơn người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm đề tài. Tp.Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 5 năm 2009 Sinh viên Nguyễn Quang Trung CHƯƠNG I . TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO 1.1.Hệ thống thông tin di động tế bào 1.1.1. Khái niệm Hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng một lượng lớn các máy phát vô tuyến công suất thấp để tạo nên các cell hay còn gọi là các tế bào (đơn vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến).Thay đổi công suất máy phát nhằm thay đổi kích thước cell theo phân bố mật độ thuê bao, nhu cầu thuê bao theo từng vùng cụ thể. Khi thuê bao di động di chuyển từ cell này qua cell khác, cuộc đàm thoại của họ sẽ được giữ nguyên liên tục, không gián đoạn. Tần số sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác với khoảng cách xác định giữa hai cell. 1.1.2. Cấu trúc 1.1.2.1. Cấu trúc hệ thống thoại di động trước đây Dịch vụ thoại di động truyền thống được cấu trúc giống như hệ thống truyền hình phát thanh quảng bá : một trạm phát sóng công suất lớn đặt tại một cao điểm có thể phát tín hiệu trong vòng một bán kính 50km.  Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin di dộng tế bào trước đây. 1.1.2.2. Cấu trúc hệ thống thông tin di động tế bào Khái niệm mạng tổ ong đã cấu trúc lại hệ thống thông tin di động theo cách khác. Thay vì sử dụng một trạm công suất lớn, người ta sử dụng nhiều trạm công suất nhỏ trong vùng phủ sóng được ấn định trước. Ví dụ bằng cách phân chia một vùng trung tâm thành 100 vùng nhỏ hơn ( các tế bào ), mỗi cell sử dụng một máy phát công suất nhỏ với khả năng cung cấp 12 kênh thoại cho mỗi máy. Khi đó năng lực của hệ thống về lý thuyết có thể tăng từ 12 kênh thoại cho một máy phát công suất lớn lên đến 1200 kênh thoại bằng cách sử dụng 100 máy phát công suất nhỏ. Như vậy là dung lượng của hệ thống đã tăng lên rất nhiều. Bằng cách giảm bán kính vùng phủ sóng đi 50% ( diện tích vùng phủ sóng giảm đi 4 lần ), nhà cung cấp dịch vụ có thể tăng khả năng phục vụ lên 4 lần. Hệ thống triển khai trên vùng có bán kính 1km có thể cung cấp số kênh lớn hơn gấp 100 lần so với hệ thống triển khai trên vùng có bán kính 10km. Từ thực tế rút ra kết luận là bằng cách giảm bán kính vùng phủ sóng đi vài trăm mét thì nhà cung cấp có thể phục vụ thêm vài triệu cuộc gọi.  Hình 1.2. Hệ thống thông tin di động sử dụng cấu trúc tế bào. Khái niệm cell ( tế bào ) được sử dụng với các mức công suất thấp khác nhau, nó cho phép các cell ( các tế bào ) có thể thay đổi vùng phủ sóng tùy theo mật độ, nhu cầu của thuê bao trong một vùng nhất định. Các cell có thể được thêm vào ở từng vùng tùy theo sự phát triển các thuê bao ở vùng đó. Tần số ở cell này có thể tái sử dụng ở cell khác, các cuộc gọi vẫn được duy trì liên tục khi thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác. 1.1.3. Phân loại cell Cell ( tế bào hay ô ) là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS ( Mobile Station ) tiến hành trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS. BTS trao đổi thông tin qua sóng vô tuyến với tất cả các trạm di động MS có mặt trong cell.  Hình 1.3. Khái niệm cell Cell được chia thành các loại sau : Cell lớn : bán kính phủ sóng khoảng ( 35 km. Vị trí thiết kế các cell lớn Sóng vô tuyến ít bị che khuất như vùng nông thôn, ven biển. Mật độ thuê bao thấp Yêu cầu công suất phát lớn. Cell nhỏ : bán kính phủ sóng khoảng ( 1 km. Vị trí thiết kế các cell nhỏ Sóng vô tuyến bị che khuất ( vùng đô thị lớn ) Mật độ thuê bao cao Yêu cầu công suất phát nhỏ. Có tất cả 4 kích thước cell trong mạng GSM đó là macro, micro, pico và umbrella. Vùng phủ sóng của mỗi cell phụ thuộc nhiều vào môi trường. Macrocell được lắp trên các cột cao hay các tòa nhà cao tầng  Hình 1.4. Cấu trúc của một Macro Cell Microcell lại được lắp ở các khu thành thị, khu dân cư. Picocell thì tầm phủ sóng chỉ khoảng vài chục mét trở lại nó thường được lắp để tiếp sóng trong nhà.  Hình 1.5. Cấu trúc của Micro Cell, Pico Cell và Nano Cell Umbrella được lắp bổ sung vào các vùng bị che khuất hay các vùng trống giữa các cell.  Hình 1.6. Cấu trúc của một Umbrella Bán kính phủ sóng của một cell tùy thuộc vào độ cao của anten, độ lợi của anten thường từ vài trăm mét cho tới vài chục km. Trong thực tế khả năng phủ sóng xa nhất của một trạm GSM là 32km. 1.2. Lịch sử phát triển các hệ thống mạng di động 1.2.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất ( 1G ) Hệ thống thông tin di động thứ nhất 1G sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA ) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao di động. Nhược điểm của hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ. Các hệ thống này phát triển ở cả Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản. Năm 1987, Nhật Bản đưa vào hệ thống di động tổ ong tương tự đầu tiên của hãng NTT. Tiếp sau đó, hệ thống điện thoại di động Bắc Mỹ ( NMT – Nordic Mobile Telephone ) được đưa vào khai thác năm 1981. Hệ thống này hoạt động ở cả 2 băng tần là 450 Mhz và 900 Mhz. Năm 1983, Mỹ cho ra đời hệ thống thông tin di động tiên tiến ( AMPS – Advance Mobile Phone System ).Năm 1985, hệ thống thông tin thâm nhập toàn bộ ( TACS – Total Access Communication ) được bắt đầu sử dụng ở Anh và sau đó là ở Đức. Năm 1991, Mỹ phát triển hệ thống AMPS thành hệ thống AMPS băng hẹp N – AMPS ( Narrowband AMPS ). Với một số thay đổi về băng tần, hệ thống N – AMPS có thể phục vụ nhiều thuê bao hơn mà không cần thêm các cell mới. Vào thời điểm này ở Mỹ cũng đưa vào thử nghiệm hệ thống số đầu tiên là IS – 54 nhưng không thành công 1.2.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G ) Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G ) sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian ( TDMA ) ra đời. các hệ thống này có ưu điểm là sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phát, đảm bảo chất lượng truyền dẫn theo yêu cầu, đảm bảo được an toàn thông tin, cho phép chuyển mạng quốc tế….Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu. Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA ) trở thành loại hệ thống 2G thứ 2 khi người Mỹ đưa ra tiêu chuẩn nội địa IS – 95. Năm 1993 tại Nhật Bản, NTT đưa ra tiêu chuẩn di động số đầu tiên của nước này ( JPD – Japanish Personal Digital Cellular System ) và phát triển hệ thống di động số cá nhân ( PDC – Personal Digital Cellular ) với băng tần hoạt động là 900 Mhz – 1400 Mhz. Ở Mỹ tiếp tục phát triển hệ thống số IS – 54 thành phiên bản mới là IS – 136 hay còn gọi là AMPS số ( D – AMPS ) và đạt được nhiều thành công. Năm 1985 công nghệ CDMA ra đời, đó là công nghệ đa thâm nhập theo mã sử dụng kỹ thuật trải phổ được nghiên cứu và triển khai bởi hãng Qualcom Communication. Công nghệ này trước đó chủ yếu được sử dụng trong quân sự và đến nay đã được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới. 1.2.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G Hệ thống thông tin di động thế hệ 2,5G bao gồm có GPRS và EDGE. GPRS được nâng cấp từ hệ thống GSM nhằm hỗ trợ chuyển mạch gói với tốc độ 127 kb/s, EDGE thì hỗ trợ tốc độ bit cao hơn GPRS với tốc độ là 384 kb/s Hệ thống thông tin thế hệ thứ 2,5G có các dịch vụ số liệu cải tiến hơn : tốc độ bit dữ liệu cao hơn, hỗ trợ kết nối internet. Cả hai loại GPRS và EDGE đều sử dụng phương thức chuyển mạch là chuyển mạch gói. 1.2.4. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G Thông tin di động ngày nay đang tiến tới một hệ thống thông tin thế hệ thứ 3, hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện như : Video Streaming, Video conference, Web browsing, Email…. Khi di chuyển trên các phương tiện 144 kb/s – Macro Cell Khi đi bộ, di chuyển chậm 384 kb/s – Micro Cell Văn phòng 2 Mb/s – Pico Cell Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 còn cung cấp các dịch vụ thoại với chất lượng tương đương với các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144 Kb/s đến 2 Mb/s. Các tiêu chuẩn về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được ITU – R tiến hành chuẩn hóa cho IMT – 2000 ( Viễn thông di động quốc tế 2000 ). 1.3. Hệ thống thông tin di động GSM 1.3.1 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM Hình 1.7. Mô hình hệ thống thông tin di động GSM OSS  : Phân hệ khai thác và hỗ trợ  BTS  : Trạm vô tuyến gốc   AUC  : Trung tâm nhận thực  MS  : Trạm di động   HLR  : Bộ ghi định vị thường trú  ISDN  : Mạng số liên kết đa dịch vụ   MSC  : Tổng đài di động  PSTN (Public Switched Telephone Network):   BSS  : Phân hệ trạm gốc  Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng   BSC  : Bộ điều khiển trạm gốc  PSPDN  : Mạng chuyển mạch gói công cộng   OMC  : Trung tâm khai thác và bảo dưỡng  CSPDN (Circuit Switched Public Data Network):   SS  : Phân hệ chuyển mạch  Mạng số liệu chuyển mạch kênh công cộng   VLR  : Bộ ghi định vị tạm trú  PLMN  : Mạng di động mặt đất công cộng   EIR  : Thanh ghi nhận dạng thiết bị     1.3.2. Các thành phần chức năng trong hệ thống Mạng thông tin di động công cộng mặt đất PLMN ( Public Land Mobile Network ) theo chuẩn GSM được chia thành 4 phân hệ sau Trạm di động MS ( Mobile Station ) Phân hệ trạm gốc BSS ( Base Station Subsystem ) Phân hệ chuyển mạch SS ( Switching Subsystem ) Phân hệ khai thác và bảo duỡng OMC 1.3.2.1. Trạm di động ( MS – Mobile Station ) Trạm di động MS bao gồm thiết bị trạm di động ME ( Mobile Equipment ) và một khối nhỏ gọi là modul nhận dạng thuê bao ( SIM – Subcriber Identity Module ). Đó là một khối vật lý tách riêng, chẳng hạn như một IC card hay gọi là Card thông minh. SIM cùng với thiết bị trạm ME ( Mobile Equipment ) hợp thành trạm di động MS. SIM cung cấp khả năng di động cá nhân, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM vào bất cứ máy di động GSM nào để truy nhập vào dịch vụ đã đăng ký. Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng thiết bị di động IMEI (International Mobile Equipment Identity ). Card SIM chứa một số nhận dang thuê bao di độ