蜂窩網絡

蜂窩網絡（英文:Cellular Network）是一種具有平面拓撲結構的互連網絡。蜂窩網絡的概念最早是由貝爾實驗室在1947年提出的。這種組網理論為移動通信技術的發展和新一代多功能設備的出現奠定了基礎，解決了公眾移動通信系統所需的大容量與有限頻率資源之間的矛盾。

蜂窩網絡將一個移動通信服務區域劃分為許多以正六邊形為基本幾何圖形的覆蓋區域，這些區域被稱為小區。一個小區由低功率發射機服務，根據不同的標準系統和不同的用戶密度選擇不同類型的小區。蜂窩網絡支持頻率復用、多信道共享和切換。

蜂窩網絡通常由各種基礎設施組成，例如宏基站、微基站、微微基站、中繼和設備到設備（D2D）系統等。目前，5G蜂窩網絡應用廣泛，其連接的終端數量眾多，可用于更大范圍的擴展。

蜂窩網絡是一種具有平面拓撲結構的互連網絡，類似于二維網格，由若干個六邊形網格組成。然而，節點的連通性只有三個，比網格少一個。同時，它具有網格狀拓撲性質（對稱性、低連通性、遞歸構造等。），但有些特征比網格更好。

蜂窩網絡通常由各種基礎設施組成，例如宏基站、微基站、微基站、中繼到設備（D2D）系統等。其中不同層中的基站具有不同的傳輸功率和覆蓋區域。具體來說，宏蜂窩使用更高的功率來提供更大的覆蓋區域，而毫微微蜂窩通常用于低功率的短距離通信。超密集異構蜂窩無線網絡在異構蜂窩網絡的基礎上引入了大量低功耗節點，擴展了網絡容量。

基站：基站是移動無線系統中的固定站，用于與移動站進行無線通信。基站建在覆蓋區域的中心或邊緣，包括無線信道和安裝在塔上的發射和接收天線。基站收發信臺負責移動設備和無線網絡之間的連接，每個蜂窩站都有一個基站收發信臺。基站控制器管理多個基站收發信臺，其主要功能是頻率分配和管理，當移動用戶從一個蜂窩站點移動到另一個蜂窩站點時，它還處理切換。基站收發信臺和基站控制器形成基站子系統（BBS）。基站的覆蓋區域在基站的服務指標范圍內。在這個范圍內，基站可以進行信號的全覆蓋，實現區域內呼叫的設置。根據基站的覆蓋范圍，進行合理的頻率控制，使覆蓋區域內的所有參數都能得到合理規劃，從而保證通話的流暢度。

移動站和移動交換中心：蜂窩移動業務中的移動站，計劃在不確定的地方使用并移動的終端。移動臺可以是便攜式手持組件或安裝在移動車輛上。移動交換中心是在大型服務區協調呼叫路由的交換中心。在蜂窩系統中，移動交換中心將蜂窩基站和用戶連接到公共交換電話網。移動交換中心也稱為移動電話交換局。

頻道：基站和移動用戶之間的通信接口被定義為標準公共空中接口（CAI），它指定了四個不同的信道。前向語音信道（FVC）用于從基站向用戶傳輸語音，反向語音信道（RVC）用于從用戶向基站傳輸語音。負責發起移動呼叫的兩個信道被稱為前向控制信道（FCC）和反向控制信道（RCC）。控制信道通常被稱為設置信道，因為它們僅在建立呼叫和將呼叫轉移到未占用的信道時使用。控制信道發送和接收用于呼叫和請求服務的數據信息，并由不在通話的移動臺監控。前向控制信道也被用作信道標志，以在系統中建立用戶的廣播呼叫請求。管理和數據信息以多種方式發送，以實現呼叫前和呼叫過程中的自動頻道改變和用戶切換。反向信道用于從移動用戶向基站傳輸信息的無線信道。

多址技術：多址接入允許許多移動用戶同時共享有限的無線頻譜。有必要將有效帶寬（或有效信道）分配給多個用戶以獲得高系統容量。對于高質量的通信，必須做到這一點，并且必須保證它不會導致系統性能的下降。頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）是無線通信系統中共享有效帶寬的三種主要接入技術。根據有效帶寬如何分配給用戶，這些技術可以分為窄帶系統和寬帶系統。

定位技術：蜂窩網絡定位屬于無線電定位的范疇，它定位的對象是針對靜止或緩慢移動的對象，例如手機或其他手持設備。蜂窩網絡定位主要用于測量信號到達MS的時間、時差和角度，并通過適當合理的計算估計地理位置。蜂窩網絡定位在很大程度上受到多徑、NLOS、多址和基站數量的限制。為了減少這些因素的影響，對NLOS進行了校正、加權和幾何約束。針對多址干擾，在改進算法的同時也對網絡的物理層進行檢測。

設備間的直接通信技術：設備到設備（D2D）是一種通信模式，在這種模式下，蜂窩網絡中彼此相鄰的設備直接傳輸信息，而無需通過基站轉發。這是5G的關鍵技術之一，為5G蜂窩網絡提供了靈活高效的數據通信方式，能夠顯著提升5G蜂窩網絡的系統吞吐量和頻譜效率。D2D通信技術能夠有效提高頻譜利用率，減輕嚴重的網絡負荷，改善用戶體驗，因此成為研究和討論的焦點。目前，大多數D2D資源分配算法的研究場景主要集中在單基站小區。為了滿足用戶的海量傳輸需求，5G蜂窩網絡需要在小區內部署小型基站，以提高網絡容量和信號覆蓋范圍，但與此同時，也會導致用戶設備之間、基站之間以及不同用戶設備之間產生更加復雜的干擾。

協作傳輸技術：協作的概念最早來自于協作分集，它是由SenDonaris等人在2003年提出的，目的是使單天線接收機獲得分集增益。協作技術最早應用于中繼通信18l，其思想是在不同位置形成多個相鄰天線的虛擬多天線系統。廣義的協作通信包括中繼技術、時間/頻率復用技術、干擾對齊技術、網絡MIMO技術和空間干擾協作技術。

中繼技術：使用中繼的放大和轉發功能可以增加小區的覆蓋范圍并提高邊緣用戶的吞吐量。如果中繼配備多個天線并結合預編碼技術，則可以同時獲得空間復用增益和空間分集增益。此外，通過中繼站和服務基站之間的協作資源分配，可以進一步提高頻譜效率。中繼節點的雙工模式包括時分雙工、頻分雙工和全雙工。理論上，全雙工模式可以使頻譜效率提高一倍，但如何消除自身引入的干擾仍在進一步研究中。從轉發方式來看，中繼節點包括單向和雙向轉發方式。雙向中繼在基站和終端之間雙向傳輸數據，比單向中繼效率更高，但在資源分配和信道估計方面更復雜。

時間/頻率復用技術：由于蜂窩網絡的性能受到小區間干擾的限制，當頻率復用因子為1時，小區間干擾將進一步加劇。為了避免干擾，多個相鄰基站可以選擇在正交時域中傳輸數據。在LTE-A系統中，使用eICIC技術來阻止基站在某些子幀上發送數據，從而達到避免干擾的目的。頻率復用技術最早由貝爾實驗室提出，它允許距離較遠、干擾較小的基站使用相同的頻率。但是這種方法頻率復用率低。在1G AMPS系統中，頻率復用因子為9 ~ 11，而在2G GSM系統中，頻率復用因子為4 ~ 7。在3G和4G中，頻率復用因子都可以達到1。頻率復用效率和干擾抑制之間的折衷策略是使用分數頻率復用（FFR）和軟頻率復用（SFR）。

干涉對準技術：干擾對齊通過預編碼技術壓縮信號子空間中相鄰小區的干擾信號，并確保信號子空間與發射信號正交。干擾對準作為一種新的無線傳輸技術，自提出以來一直是研究的熱點。干擾對齊技術的實現依賴于全局信道狀態信息，并且需要高延遲。此外，整個網絡需要精確同步，否則會帶來額外的干擾。

MIMO技術：蜂窩網絡中的多輸入多輸出（MIMO）在源節點和目的節點配備大量天線，使用相同的時頻資源同時為大量用戶提供服務，從而提高通信系統的頻譜利用率。發射天線陣列的大尺寸不僅可以通過過大的空間維度顯著提高系統容量，還可以平衡快衰落對通信質量的影響，并提供集中在小區域內的極其清晰的波束成形。此外，多輸入多輸出可以提供巨大的自由度，因此可以在不增加傳輸功率的情況下獲得高系統容量。然而，它在主動竊聽用戶的多輸入多輸出系統中存在安全問題。為了抵抗主動竊聽者攻擊上行鏈路訓練階段造成的導頻污染，使用基于異步協議的半盲方法來估計用戶的下行鏈路數據，并使用數據輔助信道估計方法來設計預編碼器，該預編碼器可用于在下行鏈路傳輸階段對竊聽者進行波束成形，從而增加其接收信號功率。結合隨機天線選擇和信號隨機性，可以采用基于混合大規模MIMO系統的物理層安全傳輸方案，以確保無線傳輸的安全性能。網絡MIMO模型與MIMO廣播模型基本相同，但相同點是所有傳輸點都需要共享數據并傳輸相同的信號。不同的是，網絡MIMO需要考慮每個傳輸點的功率約束。在網絡MIMO中，多個合作基站相當于組成一個超級基站向移動用戶發送數據。移動用戶可以通過線性組合從多個基站接收的數據來獲得分集增益和功率增益。下行鏈路的最佳預編碼策略是臟紙編碼（DPC），它可以達到MIMO容量的上限。

空間合作干擾技術：通過在多個協作基站之間調整波束方向或發射功率，可以有效地減少小區間干擾。基站不需要共享數據，而只需要共享信道狀態信息、功率信息和調度信息。為了實現干擾協作，現有的預編碼策略包括ZF預編碼、MMSE預編碼、基于最大化信號泄漏噪聲比的預編碼、基于最小化發射功率的預編碼和塊對角化預編碼。當基站知道全局信道狀態信息或本地信道信息時，協作波束成形技術可以提高系統性能。根據基站位置分布的不同，可以分為集中式和分布式協同波束形成技術。例如，云無線接入網（C-RAN）就是一個典型的集中控制系統。在協作波束形成的基礎上，通過優化發射功率可以進一步提高系統性能。

GMS：GSM于1990年首次應用于新的900MHZ頻帶，該頻帶被用于全歐洲的蜂窩電話服務的CSM標準。作為第一個具有現代網絡特征的全球數字蜂窩系統，它正在被全世界廣泛接受。GSM也被認為是全球1800MHz以上個人通信服務的有力競爭者。GMS系統由八部分組成:帶SIM卡的移動設備、基站收發信臺（BTS）、基站控制器（BSC）、移動交換中心（MSC）、認證中心（AuC）、歸屬位置注冊數據庫（HLR）、訪客位置注冊數據庫（VLR）和運營中心（OMC）。其中，裝有SIM卡的移動設備中的SIM卡是一張未處理的智能卡，存儲空間為32KB~64KB，SIM卡上存儲了各種機密信息，包括持卡人的身份信息、加密和認證算法等。移動交換中心管理多個基站控制器，它還提供到有線電信網絡的連接。MSC管理移動用戶和有線網絡之間的通信。歸屬位置注冊數據庫是用于存儲和跟蹤歸屬網絡上的接入信息的數據庫，其存儲用戶注冊信息和移動設備信息。運營中心負責整個GSM網絡的管理和性能維護，OMC與BSS和MSC進行通信。

蜂窩網絡

LTE：LTE是長期演進技術（LTE）在LTE同構宏蜂窩的部署中，在每個宏基站基站中，多個宏服務小區可以重疊在一個或多個LTE載頻點上，從而多個相鄰的宏基站基站可以共同形成相對規則的宏蜂窩無線覆蓋。在某個物理區域內，多個形狀和大小基本相同的宏小區有規律地部署在四個不同的LTE載波頻點上，頻率垂直方向上覆蓋重疊，水平方向上覆蓋宏小區邊緣。在LTE同質宏蜂窩中，LTE無線覆蓋和容量供應通常隨著物理位置的變化呈現單一拓撲結構，并且越靠近宏小區中心越好。在蜂窩移動網絡初期，同構宏蜂窩的部署模式通常適用于全無線覆蓋的需求。在未來的5G蜂窩網絡部署中，移動錨控制信令層或基礎服務層也可以采用同構宏蜂窩的部署方式。

移動電話網絡協議（GPRS/EDGE）：GPRS（通用分組無線業務技術）和EDGE（增強型數據速率GSM演進技術）是兩種廣泛用于從GSM向3G過渡的數據服務技術。GPRS/EDEG網絡引入了分組交換和分組傳輸的概念，采用了與GSM相同的頻帶、帶寬、突發結構、無線調制標準、跳頻規則和TDMA幀結構。主要區別在于數據服務的編碼模式。對于分組交換模式，用戶僅在發送或接收數據期間占用資源，這意味著多個用戶可以高效地共享同一無線信道。

IP多媒體子系統（IMS）協議：IP多媒體子系統（IMS）是基于會話初始化協議（SIP）的開放式服務架構，由國際標準組織3GPP最早提出并逐步發展。與傳統網絡相比，IMS更加合理和清晰。IMS已經被廣泛使用，并且它已經成為固定和移動網絡集成的事實上的解決方案。行業專網向IMS演進勢在必行。用戶認證和密鑰協商是專網通信安全的重要環節。SIP提供HTTP摘要認證、SIP（SIP secure）和其他安全協議。HTTP摘要認證存在單向認證和離線字典的問題。sip需要相應的公鑰基礎設施（PKI）和證書頒發機構的支持。SIP服務于IMS架構中的VolIP，這是一種基于文本的應用層協議。在IMS功能實體中，呼叫會話控制功能（CSCF）和歸屬用戶服務器（HSS）主要負責服務控制。CSCF主要完成IMS中的會話建立、維護和拆除等各種會話控制功能。IMS中有三種CSCF:代理CSCF（P-CSCF）、查詢CSCF（I-CSCF）和服務CSCF（S-CSCF）。P-CSCF負責國際監測系統用戶的接入和維護。I-CSCF從HSS獲得S-CSCF的地址并將其提供給用戶。CSCF提供注冊服務、會話控制和相關路由功能，是IMS核心網絡的中心節點。HSS向IMS控制平面提供呼叫和會話管理以及IMS用戶簽約信息管理的功能。

認證技術：因為IMSI病毒是獨一無二的，攻擊者可以用它來克隆SIM卡，所以我們應該盡量減少它在網絡中傳播的次數。IMSI僅在用戶首次訪問或VLR中的用戶數據丟失時使用。臨時用戶標識TMSI用于身份驗證。當移動電話用戶呼叫時，GSM網絡的VLR將驗證用戶的身份。VLR將立即與HLR建立聯系，HLR將從AuC獲取用戶信息，這些信息將轉發給VLR。GSM認證和加密過程:基站生成一個128位隨機數或挑戰值RAND并將其發送到手機；移動電話用A3算法和密鑰Ki加密RAND以生成32位簽名響應SRES；；VLR還計算SRES的價值；手機向基站發送SRES，基站將其值轉發給value；VLR將接收到的SRES值與計算出的SRES值進行比較；如果SRES值與認證成功匹配，則用戶可以使用GMS網絡；如果不是，則連接被終止，并向移動電話報告錯誤消息。

加密技術：無線蜂窩網絡中最重要的安全措施是使用對稱密鑰加密系統，該系統通過分別存儲在用戶和系統中的密鑰實現用戶身份認證和數據加密。能夠確認用戶合法身份的信息只會在用戶首次認證時在網絡中傳輸，因此即使傳輸的數據被非法人員獲取，也很難破譯，用戶的合法身份也很難偽造。蜂窩網絡可以采用基于D2D信道特性的對稱密鑰協商技術，因為密鑰的安全性是基于加密技術的通信系統安全的基礎。在GMS系統網絡中，用戶認證成功后即可進行數據傳輸。用戶的SIM卡將RAND值與Ki相結合，并通過A8算法生成64位通信密鑰Kc。GMS系統也使用相同的算法來計算通信密鑰Kc。通信雙方使用Kc和A5算法對傳輸的數據進行加密，其中通信密鑰可以重復使用。