基于多播和缓存的内容中心无线网络基础理论及关键技术

As the key platform to support mobile Internet, wireless communication networks have undergone a rapid shift from end-to-end communication to content delivery. Yet the current wireless communication networks cannot sustain the continuous growth of mobile data traffic by simply extending the communication resources. In this project, we will investigate the paradigm shift of wireless communication networks from “connection-centric” to “content-centric” by exploiting the broadcast nature of wireless radio and the rich storage capacity of wireless networks on top of existing wireless infrastructures. First, we will model content transmission capacity based on the minimum consumption of wireless channel bandwidth and backhaul capacity, and then analyze the basic laws of multicast and caching in enhancing content delivery efficiency. Second, we will develop dynamic cache-aware multicast scheduling algorithms based on Markov decision process. Third, to improve spectral efficiency and reliability of multicast transmission, we will study and propose semi-optimal physical layer multicast precoding techniques using low-rank semi-definite programming. Finally, we will investigate joint optimization of base station caching strategy and base station joint transmission in backhaul capacity limited system. The outcome of this project will provide new ideas and solutions to the spectrum crunch problem in wireless communications. It will also offer theoretical insight as well as key technologies for developing future content-centric wireless communication networks.

作为支撑移动互联网的重要基础设施，移动通信网络的主要承载业务已从传统的“互联互通”向“内容分发”迅速转型。单纯依赖扩展通信资源的发展模式无法支撑移动互联网的可持续发展。本项目旨在基于现有无线通信网络基础设施，通过充分利用无线信道的广播特征和无线网络里的存储资源，探索从“连接导向”到“内容中心”的传输架构转型。首先，根据满足用户的内容请求所耗的最少无线信道资源和回程链路资源，对内容传输容量建模，分析多播和缓存提升内容分发效率的规律。其次，基于马尔科夫决策过程，研究缓存感知的动态多播调度算法。再次,采用低秩半正定规划，研究准最优的物理层多播预编码技术，提高多播传输的频谱效率和可靠性。最后，在回程链路受限的基站联合传输架构下，提出联合优化基站缓存和基站联合传输的算法。本项目成果将为解决移动通信网络的频谱危机提供新思路、新途径，并为构建未来内容中心无线网络提供基础理论指导和关键技术支撑。

本项目围绕传统移动通信网络难以支撑移动互联网长期可持续发展的根本问题，探索从“连接导向”到“内容中心”的传输架构转变，开展了基于多播和缓存的内容中心无线网络基础理论及关键技术研究。项目组从基本理论、 传输范式、信号设计和网络优化这四个层面，取得了重要理论和技术成果。主要包括：1）内容传输容量建模与分析： 以 “归一化传输时延”为性能度量，建立了一套包括干扰网络、雾无线接入网和广播信道在内的多种无线缓存网络内容传输容量理论，揭示了无线网络中存储资源与通信资源的置换关系。2）内容传输方法与调度策略：提出了充分挖掘基站缓存、物理层多播和协作传输的内容中心传输框架，基于此框架，设计了云无线接入网中的内容中心基站分簇策略、协作预编码方法、及基于拆分缓存的自适应传输方案，显著降低网络传输功率和回程链路开销，实现了存储资源和通信资源的置换；进一步提出了具有阈值结构的最优多播调度策略，以及高性能低复杂度的次优策略；3）物理层多播信号设计与优化：针对单小区多组多播传输，提出了高性能低复杂度的多播预编码设计算法；针对多小区协作蜂窝网，提出了混合单播与多播的非正交传输机制，所提算法在传输效率和复杂度方面均优于现有方案；4）大规模网络缓存设计与优化：大规模网络下分别针对概率缓存和编码缓存，分析优化出最优的缓存策略，其性能优于传统最流行缓存方案；在大规模多天线蜂窝网络和异构蜂窝网络下，分析获得了典型用户的覆盖概率表达式，针对不同需求提出了最优缓存策略，并讨论了基站密度、天线数目等网络参数与缓存大小的置换关系。成果为根本上解决移动通信网络的承载问题提供了新理论和新途径，积极推动了通信与计算融合的未来发展趋势。 项目组共发表标准本项目资助的IEEE期刊论文23篇，国际会议论文35篇，一篇论文获2019年IEEE通信学会马可尼论文奖。培养了3名博士研究生和10名硕士研究生。项目负责人2019年入选IEEE Fellow。