异构网络中基于用户移动状态的多时隙用户关联理论与方法

In heterogeneous network, user association is defined to determine the user access strategy based on the network status, which can improve the data rate effectively. The existing user association methods are only appropriate for the static user due to the independence assumption of node distribution and the short information timeliness. In order to satisfy the requirement of high mobility in 5G, the project will carry out multi-slot user association based on the user moving status. This project focuses on solving the three challenges caused by the user mobility during multi slots, including the strong correlation of interference, the short timeliness of association strategy, and the high complexity of information collection and processing. The main content of the project includes (1) building the multi-slot interference model and making the analysis by general point process and stochastic geometry; (2) optimizing multi-slot user association method by dynamic programming; (3) proposing low-complexity mobile-user-assisted multi-slot user strategy by functional analysis and variational methods. The goal of the project is to achieve the high achievable rate and low handover rate for a moving user during multi slots.

在异构网络中用户关联技术是一种根据网络状态确定用户接入基站的方法，可以有效提升网络的速率。已有的用户关联方法受限于网络节点分布的独立性假设和所获取信息的时效性，多适用于静态用户。考虑到5G网络中用户的高移动性需求，项目组针对处于移动状态的用户开展异构网络多时隙用户关联理论与方法研究，重点解决用户移动性引起的多时隙范围内的干扰相关性强、关联方案时效性短和信息收集处理复杂度高这三大挑战。具体研究内容包括：（1）基于广义点过程和随机几何理论，构建针对用户移动状态的多时隙异构网络干扰模型，探索其分析方法；（2）基于动态规划理论，提出优化多时隙平均性能的用户关联方法；（3）基于泛函分析和变分法，研究移动用户辅助模式下的低复杂度用户关联策略。使处于移动状态的用户实现在多时隙范围内的高可达速率和低切换率。

移动性导致的网络切换一直是移动通信的一个固有难题，且随着热点网络的密集部署，小区边缘数量增长，加剧了用户移动时的切换频率。频繁的切换会消耗更多的网络资源和传输开销，引入更多的时延，严重影响网络的性能。为解决上述问题，项目组针对处于移动状态的用户开展异构网络多时隙用户关联理论与方法研究，重点解决用户移动性引起的多时隙范围内的干扰相关性强、关联方案时效性短和信息收集处理复杂度高等科学问题，取得的主要研究进展如下：.首先，针对用户移动所引发的多时隙的干扰相关性问题，构建了基于用户移动状态的多时隙异构网络干扰模型，揭示了多时隙场景下用户移动速度、基站部署密度等与网络覆盖概率、切换率间的量化关系。其次，基于用户移动模型和多时隙网络状态（如信道质量、资源分布等），提出了最小化平均时延的多时隙用户关联理论方法，解决了传统用户关联策略时效性短的难题，进一步考虑实际环境下信息测量的不准确性，提出了鲁棒的多时隙用户关联方法，仿真证明所提方法对于一维、二维和基于实际数据的移动场景均有效。此外，随着移动终端通信、计算和存储能力的发展，提出了“移动服务器”的概念，利用增强学习提出了基于先验知识深度的关联方法，回答了移动用户辅助下用户关联时的“谁作为移动服务器”和“什么时候需要关联到移动服务器”两个关键问题。仿真表明在速度差较小、计算任务较大、固定服务器负载多的情况下，移动服务器优于固定服务器。.基于上述研究该项目发表SCI论文10篇，其中第一标注文章5篇，一区/二区期刊论文5篇；EI论文12篇，其中第一标注文章10篇，2篇论文获国际会议“最佳论文奖”；撰写IET Book中的一个章节（排名第2）；申请发明专利6项，其中1项已授权；参加国内和国际学术会议17人次，邀请国内外相关领域的知名专家进行学术交流6人次，举办相关研究领域的技术研讨会2次；通过本项目培养合格博士生2名，硕士生3名。均已（超额）完成项目目标。此外，项目负责人获2020年中国通信学会科技奖（技术发明类）一等奖；指导的大学生创新创业训练计划2020年顺利结项并定级为国家级项目；获2020年“北京高校优秀毕业设计（论文）指导教师”奖；在应用方面，项目组面向异构网络移动场景和扩展场景（如去中心化移动自组织网络场景）进行性能评估，并参与CCSA相关标准制定。