蜂窝网络

蜂窝网络（英文:Cellular Network）是一种具有平面拓扑结构的互连网络。蜂窝网络的概念最早是由贝尔实验室在1947年提出的。这种组网理论为移动通信技术的发展和新一代多功能设备的出现奠定了基础，解决了公众移动通信系统所需的大容量与有限频率资源之间的矛盾。

蜂窝网络将一个移动通信服务区域划分为许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，这些区域被称为小区。一个小区由低功率发射机服务，根据不同的标准系统和不同的用户密度选择不同类型的小区。蜂窝网络支持频率复用、多信道共享和切换。

蜂窝网络通常由各种基础设施组成，例如宏基站、微基站、微微基站、中继和设备到设备（D2D）系统等。目前，5G蜂窝网络应用广泛，其连接的终端数量众多，可用于更大范围的扩展。

蜂窝网络是一种具有平面拓扑结构的互连网络，类似于二维网格，由若干个六边形网格组成。然而，节点的连通性只有三个，比网格少一个。同时，它具有网格状拓扑性质（对称性、低连通性、递归构造等。），但有些特征比网格更好。

蜂窝网络通常由各种基础设施组成，例如宏基站、微基站、微基站、中继到设备（D2D）系统等。其中不同层中的基站具有不同的传输功率和覆盖区域。具体来说，宏蜂窝使用更高的功率来提供更大的覆盖区域，而毫微微蜂窝通常用于低功率的短距离通信。超密集异构蜂窝无线网络在异构蜂窝网络的基础上引入了大量低功耗节点，扩展了网络容量。

基站：基站是移动无线系统中的固定站，用于与移动站进行无线通信。基站建在覆盖区域的中心或边缘，包括无线信道和安装在塔上的发射和接收天线。基站收发信台负责移动设备和无线网络之间的连接，每个蜂窝站都有一个基站收发信台。基站控制器管理多个基站收发信台，其主要功能是频率分配和管理，当移动用户从一个蜂窝站点移动到另一个蜂窝站点时，它还处理切换。基站收发信台和基站控制器形成基站子系统（BBS）。基站的覆盖区域在基站的服务指标范围内。在这个范围内，基站可以进行信号的全覆盖，实现区域内呼叫的设置。根据基站的覆盖范围，进行合理的频率控制，使覆盖区域内的所有参数都能得到合理规划，从而保证通话的流畅度。

移动站和移动交换中心：蜂窝移动业务中的移动站，计划在不确定的地方使用并移动的终端。移动台可以是便携式手持组件或安装在移动车辆上。移动交换中心是在大型服务区协调呼叫路由的交换中心。在蜂窝系统中，移动交换中心将蜂窝基站和用户连接到公共交换电话网。移动交换中心也称为移动电话交换局。

频道：基站和移动用户之间的通信接口被定义为标准公共空中接口（CAI），它指定了四个不同的信道。前向语音信道（FVC）用于从基站向用户传输语音，反向语音信道（RVC）用于从用户向基站传输语音。负责发起移动呼叫的两个信道被称为前向控制信道（FCC）和反向控制信道（RCC）。控制信道通常被称为设置信道，因为它们仅在建立呼叫和将呼叫转移到未占用的信道时使用。控制信道发送和接收用于呼叫和请求服务的数据信息，并由不在通话的移动台监控。前向控制信道也被用作信道标志，以在系统中建立用户的广播呼叫请求。管理和数据信息以多种方式发送，以实现呼叫前和呼叫过程中的自动频道改变和用户切换。反向信道用于从移动用户向基站传输信息的无线信道。

多址技术：多址接入允许许多移动用户同时共享有限的无线频谱。有必要将有效带宽（或有效信道）分配给多个用户以获得高系统容量。对于高质量的通信，必须做到这一点，并且必须保证它不会导致系统性能的下降。频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）是无线通信系统中共享有效带宽的三种主要接入技术。根据有效带宽如何分配给用户，这些技术可以分为窄带系统和宽带系统。

定位技术：蜂窝网络定位属于无线电定位的范畴，它定位的对象是针对静止或缓慢移动的对象，例如手机或其他手持设备。蜂窝网络定位主要用于测量信号到达MS的时间、时差和角度，并通过适当合理的计算估计地理位置。蜂窝网络定位在很大程度上受到多径、NLOS、多址和基站数量的限制。为了减少这些因素的影响，对NLOS进行了校正、加权和几何约束。针对多址干扰，在改进算法的同时也对网络的物理层进行检测。

设备间的直接通信技术：设备到设备（D2D）是一种通信模式，在这种模式下，蜂窝网络中彼此相邻的设备直接传输信息，而无需通过基站转发。这是5G的关键技术之一，为5G蜂窝网络提供了灵活高效的数据通信方式，能够显著提升5G蜂窝网络的系统吞吐量和频谱效率。D2D通信技术能够有效提高频谱利用率，减轻严重的网络负荷，改善用户体验，因此成为研究和讨论的焦点。目前，大多数D2D资源分配算法的研究场景主要集中在单基站小区。为了满足用户的海量传输需求，5G蜂窝网络需要在小区内部署小型基站，以提高网络容量和信号覆盖范围，但与此同时，也会导致用户设备之间、基站之间以及不同用户设备之间产生更加复杂的干扰。

协作传输技术：协作的概念最早来自于协作分集，它是由SenDonaris等人在2003年提出的，目的是使单天线接收机获得分集增益。协作技术最早应用于中继通信18l，其思想是在不同位置形成多个相邻天线的虚拟多天线系统。广义的协作通信包括中继技术、时间/频率复用技术、干扰对齐技术、网络MIMO技术和空间干扰协作技术。

中继技术：使用中继的放大和转发功能可以增加小区的覆盖范围并提高边缘用户的吞吐量。如果中继配备多个天线并结合预编码技术，则可以同时获得空间复用增益和空间分集增益。此外，通过中继站和服务基站之间的协作资源分配，可以进一步提高频谱效率。中继节点的双工模式包括时分双工、频分双工和全双工。理论上，全双工模式可以使频谱效率提高一倍，但如何消除自身引入的干扰仍在进一步研究中。从转发方式来看，中继节点包括单向和双向转发方式。双向中继在基站和终端之间双向传输数据，比单向中继效率更高，但在资源分配和信道估计方面更复杂。

时间/频率复用技术：由于蜂窝网络的性能受到小区间干扰的限制，当频率复用因子为1时，小区间干扰将进一步加剧。为了避免干扰，多个相邻基站可以选择在正交时域中传输数据。在LTE-A系统中，使用eICIC技术来阻止基站在某些子帧上发送数据，从而达到避免干扰的目的。频率复用技术最早由贝尔实验室提出，它允许距离较远、干扰较小的基站使用相同的频率。但是这种方法频率复用率低。在1G AMPS系统中，频率复用因子为9 ~ 11，而在2G GSM系统中，频率复用因子为4 ~ 7。在3G和4G中，频率复用因子都可以达到1。频率复用效率和干扰抑制之间的折衷策略是使用分数频率复用（FFR）和软频率复用（SFR）。

干涉对准技术：干扰对齐通过预编码技术压缩信号子空间中相邻小区的干扰信号，并确保信号子空间与发射信号正交。干扰对准作为一种新的无线传输技术，自提出以来一直是研究的热点。干扰对齐技术的实现依赖于全局信道状态信息，并且需要高延迟。此外，整个网络需要精确同步，否则会带来额外的干扰。

MIMO技术：蜂窝网络中的多输入多输出（MIMO）在源节点和目的节点配备大量天线，使用相同的时频资源同时为大量用户提供服务，从而提高通信系统的频谱利用率。发射天线阵列的大尺寸不仅可以通过过大的空间维度显著提高系统容量，还可以平衡快衰落对通信质量的影响，并提供集中在小区域内的极其清晰的波束成形。此外，多输入多输出可以提供巨大的自由度，因此可以在不增加传输功率的情况下获得高系统容量。然而，它在主动窃听用户的多输入多输出系统中存在安全问题。为了抵抗主动窃听者攻击上行链路训练阶段造成的导频污染，使用基于异步协议的半盲方法来估计用户的下行链路数据，并使用数据辅助信道估计方法来设计预编码器，该预编码器可用于在下行链路传输阶段对窃听者进行波束成形，从而增加其接收信号功率。结合随机天线选择和信号随机性，可以采用基于混合大规模MIMO系统的物理层安全传输方案，以确保无线传输的安全性能。网络MIMO模型与MIMO广播模型基本相同，但相同点是所有传输点都需要共享数据并传输相同的信号。不同的是，网络MIMO需要考虑每个传输点的功率约束。在网络MIMO中，多个合作基站相当于组成一个超级基站向移动用户发送数据。移动用户可以通过线性组合从多个基站接收的数据来获得分集增益和功率增益。下行链路的最佳预编码策略是脏纸编码（DPC），它可以达到MIMO容量的上限。

空间合作干扰技术：通过在多个协作基站之间调整波束方向或发射功率，可以有效地减少小区间干扰。基站不需要共享数据，而只需要共享信道状态信息、功率信息和调度信息。为了实现干扰协作，现有的预编码策略包括ZF预编码、MMSE预编码、基于最大化信号泄漏噪声比的预编码、基于最小化发射功率的预编码和块对角化预编码。当基站知道全局信道状态信息或本地信道信息时，协作波束成形技术可以提高系统性能。根据基站位置分布的不同，可以分为集中式和分布式协同波束形成技术。例如，云无线接入网（C-RAN）就是一个典型的集中控制系统。在协作波束形成的基础上，通过优化发射功率可以进一步提高系统性能。

GMS：GSM于1990年首次应用于新的900MHZ频带，该频带被用于全欧洲的蜂窝电话服务的CSM标准。作为第一个具有现代网络特征的全球数字蜂窝系统，它正在被全世界广泛接受。GSM也被认为是全球1800MHz以上个人通信服务的有力竞争者。GMS系统由八部分组成:带SIM卡的移动设备、基站收发信台（BTS）、基站控制器（BSC）、移动交换中心（MSC）、认证中心（AuC）、归属位置注册数据库（HLR）、访客位置注册数据库（VLR）和运营中心（OMC）。其中，装有SIM卡的移动设备中的SIM卡是一张未处理的智能卡，存储空间为32KB~64KB，SIM卡上存储了各种机密信息，包括持卡人的身份信息、加密和认证算法等。移动交换中心管理多个基站控制器，它还提供到有线电信网络的连接。MSC管理移动用户和有线网络之间的通信。归属位置注册数据库是用于存储和跟踪归属网络上的接入信息的数据库，其存储用户注册信息和移动设备信息。运营中心负责整个GSM网络的管理和性能维护，OMC与BSS和MSC进行通信。

蜂窝网络

LTE：LTE是长期演进技术（LTE）在LTE同构宏蜂窝的部署中，在每个宏基站基站中，多个宏服务小区可以重叠在一个或多个LTE载频点上，从而多个相邻的宏基站基站可以共同形成相对规则的宏蜂窝无线覆盖。在某个物理区域内，多个形状和大小基本相同的宏小区有规律地部署在四个不同的LTE载波频点上，频率垂直方向上覆盖重叠，水平方向上覆盖宏小区边缘。在LTE同质宏蜂窝中，LTE无线覆盖和容量供应通常随着物理位置的变化呈现单一拓扑结构，并且越靠近宏小区中心越好。在蜂窝移动网络初期，同构宏蜂窝的部署模式通常适用于全无线覆盖的需求。在未来的5G蜂窝网络部署中，移动锚控制信令层或基础服务层也可以采用同构宏蜂窝的部署方式。

移动电话网络协议（GPRS/EDGE）：GPRS（通用分组无线业务技术）和EDGE（增强型数据速率GSM演进技术）是两种广泛用于从GSM向3G过渡的数据服务技术。GPRS/EDEG网络引入了分组交换和分组传输的概念，采用了与GSM相同的频带、带宽、突发结构、无线调制标准、跳频规则和TDMA帧结构。主要区别在于数据服务的编码模式。对于分组交换模式，用户仅在发送或接收数据期间占用资源，这意味着多个用户可以高效地共享同一无线信道。

IP多媒体子系统（IMS）协议：IP多媒体子系统（IMS）是基于会话初始化协议（SIP）的开放式服务架构，由国际标准组织3GPP最早提出并逐步发展。与传统网络相比，IMS更加合理和清晰。IMS已经被广泛使用，并且它已经成为固定和移动网络集成的事实上的解决方案。行业专网向IMS演进势在必行。用户认证和密钥协商是专网通信安全的重要环节。SIP提供HTTP摘要认证、SIP（SIP secure）和其他安全协议。HTTP摘要认证存在单向认证和离线字典的问题。sip需要相应的公钥基础设施（PKI）和证书颁发机构的支持。SIP服务于IMS架构中的VolIP，这是一种基于文本的应用层协议。在IMS功能实体中，呼叫会话控制功能（CSCF）和归属用户服务器（HSS）主要负责服务控制。CSCF主要完成IMS中的会话建立、维护和拆除等各种会话控制功能。IMS中有三种CSCF:代理CSCF（P-CSCF）、查询CSCF（I-CSCF）和服务CSCF（S-CSCF）。P-CSCF负责国际监测系统用户的接入和维护。I-CSCF从HSS获得S-CSCF的地址并将其提供给用户。CSCF提供注册服务、会话控制和相关路由功能，是IMS核心网络的中心节点。HSS向IMS控制平面提供呼叫和会话管理以及IMS用户签约信息管理的功能。

认证技术：因为IMSI病毒是独一无二的，攻击者可以用它来克隆SIM卡，所以我们应该尽量减少它在网络中传播的次数。IMSI仅在用户首次访问或VLR中的用户数据丢失时使用。临时用户标识TMSI用于身份验证。当移动电话用户呼叫时，GSM网络的VLR将验证用户的身份。VLR将立即与HLR建立联系，HLR将从AuC获取用户信息，这些信息将转发给VLR。GSM认证和加密过程:基站生成一个128位随机数或挑战值RAND并将其发送到手机；移动电话用A3算法和密钥Ki加密RAND以生成32位签名响应SRES；；VLR还计算SRES的价值；手机向基站发送SRES，基站将其值转发给value；VLR将接收到的SRES值与计算出的SRES值进行比较；如果SRES值与认证成功匹配，则用户可以使用GMS网络；如果不是，则连接被终止，并向移动电话报告错误消息。

加密技术：无线蜂窝网络中最重要的安全措施是使用对称密钥加密系统，该系统通过分别存储在用户和系统中的密钥实现用户身份认证和数据加密。能够确认用户合法身份的信息只会在用户首次认证时在网络中传输，因此即使传输的数据被非法人员获取，也很难破译，用户的合法身份也很难伪造。蜂窝网络可以采用基于D2D信道特性的对称密钥协商技术，因为密钥的安全性是基于加密技术的通信系统安全的基础。在GMS系统网络中，用户认证成功后即可进行数据传输。用户的SIM卡将RAND值与Ki相结合，并通过A8算法生成64位通信密钥Kc。GMS系统也使用相同的算法来计算通信密钥Kc。通信双方使用Kc和A5算法对传输的数据进行加密，其中通信密钥可以重复使用。