While cell-free massive MIMO (CF-mMIMO) offers high and uniform network-wide throughput in static networks, its performance in mobile networks is not yet fully addressed. In this paper, we evaluate the throughput performance of urban mobile CF-mMIMO networks under a comprehensive throughput model and show that it suffers from large performance degradation due to the combined effect of channel aging and handover overheads. To restore the uniformly good performance of CF-mMIMO under mobility, we formulate a novel optimization problem to maximize the nett throughput that considers both channel aging and handover cost. We derive a near-optimal solution nearOpt for our transformed and relaxed optimization problem with Newton's method. We then design a heuristic handover algorithm, FairDiff, to differentiate prioritized and optional handovers using a policy threshold based on Jain's fairness index, in order to achieve uniform throughput over the network. Our extensive evaluation of the mobile throughput performance of our handover schemes in realistic urban mobile networks shows that, unlike the existing literature benchmarks that obtain very low throughput under mobility, our FairDiff scheme consistently achieves the near-optimal throughput comparable to nearOpt and highest network-wide throughput with the lowest computational complexity among all considered schemes. We thus for the first time propose a handover scheme that delivers the promise of uniformly good throughput for mobile CF-mMIMO, making it a feasible architecture for practical mobile networks.


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