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

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

蜂窩網(wǎng)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(tǒng)等。目前，5G蜂窩網(wǎng)絡應用廣泛，其連接的終端數(shù)量眾多，可用于更大范圍的擴展。

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

蜂窩網(wǎng)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(tǒng)等。其中不同層中的基站具有不同的傳輸功率和覆蓋區(qū)域。具體來說，宏蜂窩使用更高的功率來提供更大的覆蓋區(qū)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(gòu)蜂窩無線網(wǎng)絡在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的基礎上引入了大量低功耗節(jié)點，擴展了網(wǎng)絡容量。

基站：基站是移動無線系統(tǒng)中的固定站，用于與移動站進行無線通信。基站建在覆蓋區(qū)域的中心或邊緣，包括無線信道和安裝在塔上的發(fā)射和接收天線。基站收發(fā)信臺負責移動設備和無線網(wǎng)絡之間的連接，每個蜂窩站都有一個基站收發(fā)信臺。基站控制器管理多個基站收發(fā)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(fā)信臺和基站控制器形成基站子系統(tǒng)（BBS）。基站的覆蓋區(qū)域在基站的服務指標范圍內(nèi)。在這個范圍內(nèi)，基站可以進行信號的全覆蓋，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)呼叫的設置。根據(jù)基站的覆蓋范圍，進行合理的頻率控制，使覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有參數(shù)都能得到合理規(guī)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(yè)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(qū)協(xié)調(diào)呼叫路由的交換中心。在蜂窩系統(tǒng)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(wǎng)。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(fā)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(zhuǎn)移到未占用的信道時使用。控制信道發(fā)送和接收用于呼叫和請求服務的數(shù)據(jù)信息，并由不在通話的移動臺監(jiān)控。前向控制信道也被用作信道標志，以在系統(tǒng)中建立用戶的廣播呼叫請求。管理和數(shù)據(jù)信息以多種方式發(fā)送，以實現(xiàn)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(shù)：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(tǒng)容量。對于高質(zhì)量的通信，必須做到這一點，并且必須保證它不會導致系統(tǒng)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(tǒng)中共享有效帶寬的三種主要接入技術(shù)。根據(jù)有效帶寬如何分配給用戶，這些技術(shù)可以分為窄帶系統(tǒng)和寬帶系統(tǒng)。

定位技術(shù)：蜂窩網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡定位在很大程度上受到多徑、NLOS、多址和基站數(shù)量的限制。為了減少這些因素的影響，對NLOS進行了校正、加權(quán)和幾何約束。針對多址干擾，在改進算法的同時也對網(wǎng)絡的物理層進行檢測。

設備間的直接通信技術(shù)：設備到設備（D2D）是一種通信模式，在這種模式下，蜂窩網(wǎng)絡中彼此相鄰的設備直接傳輸信息，而無需通過基站轉(zhuǎn)發(fā)。這是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，為5G蜂窩網(wǎng)絡提供了靈活高效的數(shù)據(jù)通信方式，能夠顯著提升5G蜂窩網(wǎng)絡的系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率。D2D通信技術(shù)能夠有效提高頻譜利用率，減輕嚴重的網(wǎng)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(shù)D2D資源分配算法的研究場景主要集中在單基站小區(qū)。為了滿足用戶的海量傳輸需求，5G蜂窩網(wǎng)絡需要在小區(qū)內(nèi)部署小型基站，以提高網(wǎng)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(chǎn)生更加復雜的干擾。

協(xié)作傳輸技術(shù)：協(xié)作的概念最早來自于協(xié)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(xié)作技術(shù)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(tǒng)。廣義的協(xié)作通信包括中繼技術(shù)、時間/頻率復用技術(shù)、干擾對齊技術(shù)、網(wǎng)絡MIMO技術(shù)和空間干擾協(xié)作技術(shù)。

中繼技術(shù)：使用中繼的放大和轉(zhuǎn)發(fā)功能可以增加小區(qū)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(jié)合預編碼技術(shù)，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(xié)作資源分配，可以進一步提高頻譜效率。中繼節(jié)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(zhuǎn)發(fā)方式來看，中繼節(jié)點包括單向和雙向轉(zhuǎn)發(fā)方式。雙向中繼在基站和終端之間雙向傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)：由于蜂窩網(wǎng)絡的性能受到小區(qū)間干擾的限制，當頻率復用因子為1時，小區(qū)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(shù)據(jù)。在LTE-A系統(tǒng)中，使用eICIC技術(shù)來阻止基站在某些子幀上發(fā)送數(shù)據(jù)，從而達到避免干擾的目的。頻率復用技術(shù)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(tǒng)中，頻率復用因子為9 ~ 11，而在2G GSM系統(tǒng)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(shù)頻率復用（FFR）和軟頻率復用（SFR）。

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

MIMO技術(shù)：蜂窩網(wǎng)絡中的多輸入多輸出（MIMO）在源節(jié)點和目的節(jié)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(tǒng)的頻譜利用率。發(fā)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(tǒng)容量，還可以平衡快衰落對通信質(zhì)量的影響，并提供集中在小區(qū)域內(nèi)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(tǒng)容量。然而，它在主動竊聽用戶的多輸入多輸出系統(tǒng)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(xié)議的半盲方法來估計用戶的下行鏈路數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)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(jié)合隨機天線選擇和信號隨機性，可以采用基于混合大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的物理層安全傳輸方案，以確保無線傳輸?shù)陌踩阅堋＞W(wǎng)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(shù)據(jù)并傳輸相同的信號。不同的是，網(wǎng)絡MIMO需要考慮每個傳輸點的功率約束。在網(wǎng)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(fā)送數(shù)據(jù)。移動用戶可以通過線性組合從多個基站接收的數(shù)據(jù)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(shù)：通過在多個協(xié)作基站之間調(diào)整波束方向或發(fā)射功率，可以有效地減少小區(qū)間干擾。基站不需要共享數(shù)據(jù)，而只需要共享信道狀態(tài)信息、功率信息和調(diào)度信息。為了實現(xiàn)干擾協(xié)作，現(xiàn)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(fā)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(tài)信息或本地信道信息時，協(xié)作波束成形技術(shù)可以提高系統(tǒng)性能。根據(jù)基站位置分布的不同，可以分為集中式和分布式協(xié)同波束形成技術(shù)。例如，云無線接入網(wǎng)（C-RAN）就是一個典型的集中控制系統(tǒng)。在協(xié)作波束形成的基礎上，通過優(yōu)化發(fā)射功率可以進一步提高系統(tǒng)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(xiàn)代網(wǎng)絡特征的全球數(shù)字蜂窩系統(tǒng)，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(tǒng)由八部分組成:帶SIM卡的移動設備、基站收發(fā)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(shù)據(jù)庫（HLR）、訪客位置注冊數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的連接。MSC管理移動用戶和有線網(wǎng)絡之間的通信。歸屬位置注冊數(shù)據(jù)庫是用于存儲和跟蹤歸屬網(wǎng)絡上的接入信息的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的管理和性能維護，OMC與BSS和MSC進行通信。

蜂窩網(wǎng)絡

LTE：LTE是長期演進技術(shù)（LTE）在LTE同構(gòu)宏蜂窩的部署中，在每個宏基站基站中，多個宏服務小區(qū)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(guī)則的宏蜂窩無線覆蓋。在某個物理區(qū)域內(nèi)，多個形狀和大小基本相同的宏小區(qū)有規(guī)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(qū)邊緣。在LTE同質(zhì)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(xiàn)單一拓撲結(jié)構(gòu)，并且越靠近宏小區(qū)中心越好。在蜂窩移動網(wǎng)絡初期，同構(gòu)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(wǎng)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(gòu)宏蜂窩的部署方式。

移動電話網(wǎng)絡協(xié)議（GPRS/EDGE）：GPRS（通用分組無線業(yè)務技術(shù)）和EDGE（增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進技術(shù)）是兩種廣泛用于從GSM向3G過渡的數(shù)據(jù)服務技術(shù)。GPRS/EDEG網(wǎng)絡引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍睿捎昧伺cGSM相同的頻帶、帶寬、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標準、跳頻規(guī)則和TDMA幀結(jié)構(gòu)。主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)服務的編碼模式。對于分組交換模式，用戶僅在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)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(tǒng)（IMS）協(xié)議：IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）是基于會話初始化協(xié)議（SIP）的開放式服務架構(gòu)，由國際標準組織3GPP最早提出并逐步發(fā)展。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，IMS更加合理和清晰。IMS已經(jīng)被廣泛使用，并且它已經(jīng)成為固定和移動網(wǎng)絡集成的事實上的解決方案。行業(yè)專網(wǎng)向IMS演進勢在必行。用戶認證和密鑰協(xié)商是專網(wǎng)通信安全的重要環(huán)節(jié)。SIP提供HTTP摘要認證、SIP（SIP secure）和其他安全協(xié)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(fā)機構(gòu)的支持。SIP服務于IMS架構(gòu)中的VolIP，這是一種基于文本的應用層協(xié)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(jiān)測系統(tǒng)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(guān)路由功能，是IMS核心網(wǎng)絡的中心節(jié)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(shù)：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(wǎng)絡中傳播的次數(shù)。IMSI僅在用戶首次訪問或VLR中的用戶數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的VLR將驗證用戶的身份。VLR將立即與HLR建立聯(lián)系，HLR將從AuC獲取用戶信息，這些信息將轉(zhuǎn)發(fā)給VLR。GSM認證和加密過程:基站生成一個128位隨機數(shù)或挑戰(zhàn)值RAND并將其發(fā)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(fā)送SRES，基站將其值轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)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(shù)：無線蜂窩網(wǎng)絡中最重要的安全措施是使用對稱密鑰加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過分別存儲在用戶和系統(tǒng)中的密鑰實現(xiàn)用戶身份認證和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中傳輸，因此即使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(wǎng)絡可以采用基于D2D信道特性的對稱密鑰協(xié)商技術(shù)，因為密鑰的安全性是基于加密技術(shù)的通信系統(tǒng)安全的基礎。在GMS系統(tǒng)網(wǎng)絡中，用戶認證成功后即可進行數(shù)據(jù)傳輸。用戶的SIM卡將RAND值與Ki相結(jié)合，并通過A8算法生成64位通信密鑰Kc。GMS系統(tǒng)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?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，其中通信密鑰可以重復使用。