5G异构网络中基于随机最优控制的动态资源调度与用户关联理论研究

Under the constraints of frequency and energy efficiency, the dilemma between the ever growing mobile traffic and the scarcity of communication resources needs to be solved urgently in the 5th generation mobile communication systems by bringing the per area system throughput to the next level. This research project aims at exploring the theory of stochastic control theary based dynamic resource scheduling and user association in carrier aggregated heterogeneous cellular networks. Such goals of the maximization of the per area spectrum efficiency in the mobile communication networks would be achieved if the random deployment of low power nodes, the expansion of useful frequency band and interference coordination design will be well investigated jointly. The structural modeling of the heterogeneous cellular networks would be carried out first, which is soposed to capturing the randomness of the network. Based on such models, the interference coordinated stochastic resource scheduling and user association strategy and the spectrum and energy efficiency tradeoff design of joint resource and user association scheme will be well investigated, respectively. From three different point of view, this research project offers theoretical and technical solutions to the per area network spectrum efficiency evolution problem. Such achievements not only benefits the performance of the current mobile communication networks, but also supplies the next generation networks with feasible solutions to the future network construction.

在频谱、能量资源受限的前提下，解决5G移动通信系统中通信需求快速增长与通信资源匮乏之间的矛盾，提升单位面积上的系统吞吐量，是移动通信网络发展的迫切需求。本项目旨在探索载波聚合的异构移动通信网络中的基于随机最优控制的随机资源调度与动态用户关联理论，通过低功率节点随机部署、可利用频谱空间拓展、随机干扰协调方案设计以及三者之间的有机结合来实现移动通信网络中单位面积上频谱效率最大化的目标。具体将研究能够充分体现网络随机性的异构网络结构建模；并以此为基础研究以干扰协调为目标的随机资源调度与动态用户关联机制、完成能效与频效折中的资源与用户调度关联联合方案设计。本项目从三个不同维度出发研究单位面积网络频谱效率提升的理论和技术解决方案，不仅有助于完善现有移动通信系统的网络性能，而且为下一代移动通信网络组建提供了可行的解决方案。

本项目围绕关键科学问题，在频谱、能量资源受限的前提下，着手解决下一代移动通信系统中通信需求快速增长与通信资源匮乏之间的矛盾，提升单位面积上的系统吞吐量。主要研究了特定无线通信网络中的频谱效率提升问题、用户公平性问题、能频效率折中问题以及物理层安全传输问题。主要研究成果如下：（1）针对载波聚合的多层异构网络，通过采用以层间负载均衡为目标的动态小区关联和用户调度策略设计，研究了异构网络遍历容量最大化的问题。分别基于单数据流和多数据流两种载波聚合方式，提出了基于载波聚合的异构网络动态小区关联与用户调度策略；（2）针对云接入网络，通过设计基于广义非正交多址（G-NOMA）的联合传输框架，实现云基站间协作和协调，利用功率分配，波束赋形，速率分配和用户调度等策略，最终得到最大化的云接入网络下行链路最小用户速率，显著提高云接入网络的最大最小公平性效用；（3）针对多小区多用户的多输入单输出(MISO)移动通信网络，提出基于广义速率分割多址接入(G-RSMA)技术的能量效率EE和频谱效率SE均衡策略，构建了一个联合波束形成和通用数据率非凸二次约束的多目标优化问题，以同时最大化下行链路中的能量效率EE和频谱效率SE，取得了最优EE-SE权衡效果。（4）针对物理层安全问题，本项目基于速率分割多址接入（RSMA）技术提出了一种自适应波束形成和联合功率、速率分配优化问题来最大化物理层传输保密和速率。利用人工噪声辅助，本项目通过研究波束设计和功率、速率最优化分配，在满足用户的服务质量要求以及基站功率和串行干扰消除要求的条件下最大化保密和速率。. 项目执行期间，发表论文10篇，其中SCI检索8篇，EI检索2篇；申请发明专利3项；已完成培养硕士研究生3名，培养在读硕士研究生4名，其中包括国际研究生1名；项目负责人于2019年赴美国得克萨斯大学进行为期一年的公派访问交流，期间与英国伦敦玛丽女王大学、澳大利亚麦考瑞大学以及上海科技大学等国内外知名高校开展合作研究，取得了丰富成果。