This thesis addresses the problem of energy management of a hybrid electric power unit for an autonomous vehicle. We introduce, evaluate, and discuss the idea of autonomous-specific energy management strategy. This method is an optimization-based strategy which improves the powertrain fuel economy by exploiting motion planning data. First, to build a firm base for further evaluations, we will develop a high-fidelity system-level model for our case study using MATLAB/Simulink. This model mostly concerns about energy-related aspects of the powertrain and the vehicle. We will derive and implement the equations for each of the model subsystems. We derive model parameters using available data in the literature or online. Evaluation of the developed model shows acceptable conformity with the actual dynamometer data. We will use this model to replace the built-in rule-based logic with the proposed strategy and assess the performance.\par Second, since we are considering an optimization-based approach, we will develop a novel convex representation of the vehicle and powertrain model. This translates to reformulating the model equations using convex functions. Consequently, we will express the fuel-efficient energy management problem as the convex optimization problem. We will solve the optimization problem using dedicated numerical solvers. Extracting the control inputs using this approach and applying them on the high-fidelity model provides similar results to dynamic programming in terms of fuel consumption but in substantially less amount of time. This will act as a pivot for the subsequent real-time analysis.\par Third, we will perform a proof-of-concept for the autonomous-specific energy management strategy. We implement an optimization-based path and trajectory planning for a vehicle in the simplified driving scenario of a racing track. Accordingly, we use motion planning data to obtain the energy management strategy by solving an optimization problem. We will let the vehicle to travel around the circuit with the ability to perceive and plan up to an observable horizon using the receding horizon approach. Developed approach for energy management strategy shows a substantial reduction in the fuel consumption of the high-fidelity model, compared to the rule-based controller. / Thesis / Master of Science in Mechanical Engineering (MSME) / The automotive industry is on the verge of groundbreaking transformations as a result of electrification and autonomous driving. Electrified autonomous car of the future is sustainable, energy-efficient, more convenient, and safer. In addition to the advantages of electrification and autonomous driving individually, the intersection and interaction of these mainstreams provide new opportunities for further improvements on the vehicles. Autonomous cars generate an unprecedented amount of real-time data due to excessive use of perception sensors and processing units. This thesis considers the case of an autonomous hybrid electric vehicle and presents the novel idea of autonomous-specific energy management strategy. Specifically, this thesis is a proof-of-concept, a trial to exploit the motion planning data for a self-driving car to improve the fuel economy of the hybrid electric power unit by adopting a more efficient energy management strategy. With the ever-increasing number of autonomous hybrid electric vehicles, particularly in the self-driving fleets, the presented method shows an extremely promising potential to reduce the fuel consumption of these vehicles.

Distributed computing is an approach where computationally heavy problems are broken down into more manageable sub-tasks, which can then be distributed across a number of different computers or servers, allowing for increased efficiency through parallelization. This thesis explores an established distributed computing setting, in which the computationally heavy task involves a number of users requesting a linearly separable function to be computed across several servers. This setting results in a condition for feasible computation and communication that can be described by a matrix factorization problem. Moreover, the associated costs with computation and communication are directly related to the number of nonzero elements of the matrix factors, making sparse factors desirable for minimal costs. The Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) is explored as a possible method of solving the sparse matrix factorization problem. To obtain convergence results, extensive convex analysis is conducted on the ADMM iterates, resulting in a theorem that characterizes the limiting points of the iterates as KKT points for the sparse matrix factorization problem. Using the results of the analysis, an algorithm is devised from the ADMM iterates, which can be applied to the sparse matrix factorization problem. Furthermore, an additional implementation is considered for a noisy scenario, in which existing theoretical results are used to justify convergence. Finally, numerical implementations of the devised algorithms are used to perform sparse matrix factorization. / Distribuerad beräkning är en metod där beräkningstunga problem bryts ner i hanterbara deluppgifter, som sedan kan distribueras över ett antal olika beräkningsenheter eller servrar, vilket möjliggör ökad effektivitet genom parallelisering. Denna avhandling undersöker en etablerad distribuerad beräkningssmiljö, där den beräkningstunga uppgiften involverar ett antal användare som begär en linjärt separabel funktion som beräknas över flera servrar. Denna miljö resulterar i ett villkor för tillåten beräkning och kommunikation som kan beskrivas genom ett matrisfaktoriseringsproblem. Dessutom är det möjligt att relatera kostanderna associerade med beräkning och kommunikation till antalet nollskilda element i matrisfaktorerna, vilket gör glesa matrisfaktorer önskvärda. Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM) undersöks som en möjlig metod för att lösa det glesa matrisfaktoriseringsproblemet. För att erhålla konvergensresultat genomförs omfattande konvex analys på ADMM-iterationerna, vilket resulterar i ett teorem som karakteriserar de begränsande punkterna för iterationerna som KKT-punkter för det glesa matrisfaktoriseringsproblemet. Med hjälp av resultaten från analysen utformas en algoritm från ADMM-iterationerna, vilken kan appliceras på det glesa matrisfaktoriseringsproblemet. Dessutom övervägs en ytterligare implementering för ett brusigt scenario, där befintliga teoretiska resultat används för att motivera konvergens. Slutligen används numeriska implementeringar av de framtagna algoritmerna för att utföra gles matrisfaktorisering.

Le nombre important de véhicules sur le réseau routier peut entraîner des problèmes d'encombrement et de sécurité. Les usagers des réseaux routiers qui nous intéressent sont les camionneurs qui transportent des marchandises, pouvant rouler avec des véhicules non conformes ou emprunter des routes interdites pour gagner du temps. Le transport de matières dangereuses est réglementé et certains lieux, surtout les ponts et les tunnels, leur sont interdits d'accès. Pour aider à faire appliquer les lois en vigueur, il existe un système de contrôles routiers composé de structures fixes et de patrouilles mobiles. Le déploiement stratégique de ces ressources de contrôle mise sur la connaissance du comportement des camionneurs que nous allons étudier à travers l'analyse de leurs choix de routes. Un problème de choix de routes peut se modéliser en utilisant la théorie des choix discrets, elle-même fondée sur la théorie de l'utilité aléatoire. Traiter ce type de problème avec cette théorie est complexe. Les modèles que nous utiliserons sont tels, que nous serons amenés à faire face à des problèmes de corrélation, puisque plusieurs routes partagent probablement des arcs. De plus, puisque nous travaillons sur le réseau routier du Québec, le choix de routes peut se faire parmi un ensemble de routes dont le nombre est potentiellement infini si on considère celles ayant des boucles. Enfin, l'étude des choix faits par un humain n'est pas triviale. Avec l'aide du modèle de choix de routes retenu, nous pourrons calculer une expression de la probabilité qu'une route soit prise par le camionneur. Nous avons abordé cette étude du comportement en commençant par un travail de description des données collectées. Le questionnaire utilisé par les contrôleurs permet de collecter des données concernant les camionneurs, leurs véhicules et le lieu du contrôle. La description des données observées est une étape essentielle, car elle permet de présenter clairement à un analyste potentiel ce qui est accessible pour étudier les comportements des camionneurs. Les données observées lors d'un contrôle constitueront ce que nous appellerons une observation. Avec les attributs du réseau, il sera possible de modéliser le réseau routier du Québec. Une sélection de certains attributs permettra de spécifier la fonction d'utilité et par conséquent la fonction permettant de calculer les probabilités de choix de routes par un camionneur. Il devient alors possible d'étudier un comportement en se basant sur des observations. Celles provenant du terrain ne nous donnent pas suffisamment d'information actuellement et même en spécifiant bien un modèle, l'estimation des paramètres n'est pas possible. Cette dernière est basée sur la méthode du maximum de vraisemblance. Nous avons l'outil, mais il nous manque la matière première que sont les observations, pour continuer l'étude. L'idée est de poursuivre avec des observations de synthèse. Nous ferons des estimations avec des observations complètes puis, pour se rapprocher des conditions réelles, nous continuerons avec des observations partielles. Ceci constitue d'ailleurs un défi majeur. Nous proposons pour ces dernières, de nous servir des résultats des travaux de (Bierlaire et Frejinger, 2008) en les combinant avec ceux de (Fosgerau, Frejinger et Karlström, 2013). Bien qu'elles soient de nature synthétiques, les observations que nous utilisons nous mèneront à des résultats tels, que nous serons en mesure de fournir une proposition concrète qui pourrait aider à optimiser les décisions des responsables des contrôles routiers. En effet, nous avons réussi à estimer, sur le réseau réel du Québec, avec un seuil de signification de 0,05 les valeurs des paramètres d'un modèle de choix de routes discrets, même lorsque les observations sont partielles. Ces résultats donneront lieu à des recommandations sur les changements à faire dans le questionnaire permettant de collecter des données. / Using transportation roads enables workers to reach their work facilities. Security and traffic jam issues are all the more important given that the number of vehicles is always increasing and we will focus on merchandise transporters in this study. Dangerous items transportation is under strict control as it is for example forbidden for them to be carried through a tunnel or across a bridge. Some transporters may drive a vehicle that has defects or/and they may be ta\-king some forbidden roads so as to reach their destination faster. Transportation of goods is regulated by the law and there exists a control system, whose purpose is to detect frauds and to make sure controlled vehicles are in order. The strategic deployment of control resources can be based on the knowledge of transporters behaviour, which is going to be studied through their route choice analysis. The number of routes can be unbounded especially if we consider loops, which leads to a complex problem to be solved. We can also mention issues closely related to route choice problem using discrete choice models such as correlation between routes sharing links and point out the fact that human decision process is not considered something easy. A route choice problem can be modelled based on the random utility theory and as a consequence we will focus on the discrete choice models. We are going to use such model on the real road network of Quebec and we will derive an expression of the probability, for a transporter, to pick one route. We are going to explain the way we did our study. It started first by doing a data description job as we are convinced this is a step that will help other analysts to have a clear view of the data situation. Some data are network related and the corresponding attributes collected will be used to model the road network of Quebec. We will use some attributes to explain the utility function, which leads to the definition of the function that gives the probability that a user takes a given route. Once this function is fully specified, the behaviour study can be done, except that we have a set of observations that are absolutely incomplete. When observations are a gathering of data collected during a road control, the information they provide us is not enough and thus, the parameters estimation will fail. We might seem blocked but in fact, we brought the idea of using simulated observations. We are going to estimate model parameters with firstly complete observations and in order to imitate the real conditions, we then are going to use partial observations. This constitutes a main challenge and we overcome it by using the results presented in (Bierlaire et Frejinger, 2008) combined with those from (Fosgerau, Frejinger et Karlström, 2013). We will demonstrate that even though the observations used are simulated, we will deliver conclusions that can be useful for road network managers. The main results we provide in this work is that estimation can be done with a 0,05 signification level on real road network of Quebec, while the observations are incomplete. Eventually, our results should motivate network managers to improve the set of questions they use to collect data as it would help them to strengthen their knowledge about the merchandise transporters and hopefully, the decision process will lead to optimized resource deployments.

L'objectif général est de développer un nouvel outil numérique dédié à la focalisation en 3D de l'énergie en zone de champ très proche par un système antennaire. Cet outil permettra de définir la distribution spatiale complexe des champs dans l'ouverture rayonnante afin de focaliser l'énergie sur un volume quelconque en zone de champ réactif. L'hybridation de cet outil avec un code de calcul dédié à l'analyse rapide d‘antennes SIW par la méthode des moments permettra de synthétiser une antenne SIW ad-hoc. Les structures antennaires sélectionnées seront planaires comme par exemple les antennes RLSA (Radial Line Slot Array). Les dimensions de l'antenne (positions, dimensions et nombre de fentes) seront définies à l'aide des outils décrits ci-dessus. Les résultats numériques ainsi obtenus seront validés d'abord numériquement par analyse électromagnétique globale à l'aide de simulateurs commerciaux, puis expérimentalement en ondes millimétriques (mesure en zone de champ très proche). Pour atteindre ces objectifs, nous avons défini quatre tâches principales : Développement d'un outil de synthèse de champ dans l'ouverture rayonnante (formulation théorique couplée à une méthode dite des projections alternées) ; développement d'un outil de calcul rapide (sur la base de traitements par FFT) du champ électromagnétique rayonné en zone de champ proche par une ouverture rayonnante, et retro-propagation ; hybridation de ces algorithmes avec un code de calcul (méthode des moments) en cours de développement à l'IETR et dédié à l'analyse très rapide d'antennes en technologie SIW ; conception d'une preuve ou plusieurs preuves de concept, et validations numérique et expérimentale des concepts proposés. / With the demand for near-field antennas continuously growing, the antenna engineer is charged with the development of new concepts and design procedures for this regime. From the microwave and up to terahertz frequencies, a vast number of applications, especially in the biomedical domain, are in need for focused or shaped fields in the antenna proximity. This work proposes new theoretical methods for near-field shaping based on different optimization schemes. Continuous radiating planar apertures are optimized to radiate a near field with required characteristics. In particular, a versatile optimization technique based on the alternating projection scheme is proposed. It is demonstrated that, based on this scheme, it is feasible to achieve 3-D control of focal spots generated by planar apertures. Additionally, with the same setup, also the vectorial problem (shaping the norm of the field) is addressed. Convex optimization is additionally introduced for near-field shaping of continuous aperture sources. The capabilities of this scheme are demonstrated in the context of different shaping scenarios. Additionally, the discussion is extended to shaping the field in lossy stratified media, based on a spectral Green's functions approach. Besides, the biomedical applications of wireless power transfer to implants and breast cancer imaging are addressed. For the latter, an extensive study is included here, which delivers an outstanding improvement on the penetration depth at higher frequencies. The thesis is completed by several prototypes used for validation. Four different antennas have been designed, based either on the radial line slot array topology or on metasurfaces. The prototypes have been manufactured and measured, validating the overall approach of the thesis.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet de mesurer l'activité cérébrale à travers le flux sanguin apporté aux neurones. Dans cette thèse nous évaluons la capacité de modèles biologiquement plausibles et issus de la vision par ordinateur à représenter le contenu d'une image de façon similaire au cerveau. Les principaux modèles de vision évalués sont les réseaux convolutionnels.Les réseaux de neurones profonds ont connu un progrès bouleversant pendant les dernières années dans divers domaines. Des travaux antérieurs ont identifié des similarités entre le traitement de l'information visuelle à la première et dernière couche entre un réseau de neurones et le cerveau. Nous avons généralisé ces similarités en identifiant des régions cérébrales correspondante à chaque étape du réseau de neurones. Le résultat consiste en une progression des niveaux de complexité représentés dans le cerveau qui correspondent à l'architecture connue des aires visuelles: Plus la couche convolutionnelle est profonde, plus abstraits sont ses calculs et plus haut niveau sera la fonction cérébrale qu'elle sait modéliser au mieux. Entre la détection de contours en V1 et la spécificité à l'objet en cortex inférotemporal, fonctions assez bien comprises, nous montrons pour la première fois que les réseaux de neurones convolutionnels de détection d'objet fournissent un outil pour l'étude de toutes les étapes intermédiaires du traitement visuel effectué par le cerveau.Un résultat préliminaire à celui-ci est aussi inclus dans le manuscrit: L'étude de la réponse cérébrale aux textures visuelles et sa modélisation avec les réseaux convolutionnels de scattering.L'autre aspect global de cette thèse sont modèles de “décodage”: Dans la partie précédente, nous prédisions l'activité cérébrale à partir d'un stimulus (modèles dits d’”encodage”). La prédiction du stimulus à partir de l'activité cérébrale est le méchanisme d'inférence inverse et peut servir comme preuve que cette information est présente dans le signal. Le plus souvent, des modèles linéaires généralisés tels que la régression linéaire ou logistique ou les SVM sont utilisés, donnant ainsi accès à une interprétation des coefficients du modèle en tant que carte cérébrale. Leur interprétation visuelle est cependant difficile car le problème linéaire sous-jacent est soit mal posé et mal conditionné ou bien non adéquatement régularisé, résultant en des cartes non-informatives. En supposant une organisation contigüe en espace et parcimonieuse, nous nous appuyons sur la pénalité convexe d'une somme de variation totale et la norme L1 (TV+L1) pour développer une pénalité regroupant un terme d'activation et un terme de dérivée spatiale. Cette pénalité a la propriété de mettre à zéro la plupart des coefficients tout en permettant une variation libre des coefficients dans une zone d'activation, contrairement à TV+L1 qui impose des zones d’activation plates. Cette méthode améliore l'interprétabilité des cartes obtenues dans un schéma de validation croisée basé sur la précision du modèle prédictif.Dans le contexte des modèles d’encodage et décodage nous tâchons à améliorer les prétraitements des données. Nous étudions le comportement du signal IRMf par rapport à la stimulation ponctuelle : la réponse impulsionnelle hémodynamique. Pour générer des cartes d'activation, au lieu d’un modèle linéaire classique qui impose une réponse impulsionnelle canonique fixe, nous utilisons un modèle bilinéaire à réponse hémodynamique variable spatialement mais fixe à travers les événements de stimulation. Nous proposons un algorithme efficace pour l'estimation et montrons un gain en capacité prédictive sur les analyses menées, en encodage et décodage. / Blood-oxygen-level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) makes it possible to measure brain activity through blood flow to areas with metabolically active neurons. In this thesis we use these measurements to evaluate the capacity of biologically inspired models of vision coming from computer vision to represent image content in a similar way as the human brain. The main vision models used are convolutional networks.Deep neural networks have made unprecedented progress in many fields in recent years. Even strongholds of biological systems such as scene analysis and object detection have been addressed with enormous success. A body of prior work has been able to establish firm links between the first and last layers of deep convolutional nets and brain regions: The first layer and V1 essentially perform edge detection and the last layer as well as inferotemporal cortex permit a linear read-out of object category. In this work we have generalized this correspondence to all intermediate layers of a convolutional net. We found that each layer of a convnet maps to a stage of processing along the ventral stream, following the hierarchy of biological processing: Along the ventral stream we observe a stage-by-stage increase in complexity. Between edge detection and object detection, for the first time we are given a toolbox to study the intermediate processing steps.A preliminary result to this was obtained by studying the response of the visual areas to presentation of visual textures and analysing it using convolutional scattering networks.The other global aspect of this thesis is “decoding” models: In the preceding part, we predicted brain activity from the stimulus presented (this is called “encoding”). Predicting a stimulus from brain activity is the inverse inference mechanism and can be used as an omnibus test for presence of this information in brain signal. Most often generalized linear models such as linear or logistic regression or SVMs are used for this task, giving access to a coefficient vector the same size as a brain sample, which can thus be visualized as a brain map. However, interpretation of these maps is difficult, because the underlying linear system is either ill-defined and ill-conditioned or non-adequately regularized, resulting in non-informative maps. Supposing a sparse and spatially contiguous organization of coefficient maps, we build on the convex penalty consisting of the sum of total variation (TV) seminorm and L1 norm (“TV+L1”) to develop a penalty grouping an activation term with a spatial derivative. This penalty sets most coefficients to zero but permits free smooth variations in active zones, as opposed to TV+L1 which creates flat active zones. This method improves interpretability of brain maps obtained through cross-validation to determine the best hyperparameter.In the context of encoding and decoding models, we also work on improving data preprocessing in order to obtain the best performance. We study the impulse response of the BOLD signal: the hemodynamic response function. To generate activation maps, instead of using a classical linear model with fixed canonical response function, we use a bilinear model with spatially variable hemodynamic response (but fixed across events). We propose an efficient optimization algorithm and show a gain in predictive capacity for encoding and decoding models on different datasets.

Les problèmes inverses consistent à retrouver une donnée qui a été transformée ou perturbée. Ils nécessitent une régularisation puisque mal posés. En traitement d'images, la variation totale en tant qu'outil de régularisation a l'avantage de préserver les discontinuités tout en créant des zones lisses, résultats établis dans cette thèse dans un cadre continu et pour des énergies générales. En outre, nous proposons et étudions une variante de la variation totale. Nous établissons une formulation duale qui nous permet de démontrer que cette variante coïncide avec la variation totale sur des ensembles de périmètre fini. Ces dernières années les méthodes non-locales exploitant les auto-similarités dans les images ont connu un succès particulier. Nous adaptons cette approche au problème de complétion de spectre pour des problèmes inverses généraux. La dernière partie est consacrée aux aspects algorithmiques inhérents à l'optimisation des énergies convexes considérées. Nous étudions la convergence et la complexité d'une famille récente d'algorithmes dits Primal-Dual.

This thesis is concerned with the development of novel numerical methods for solving nondifferentiable convex optimization problems in real Hilbert spaces and with the investigation of their asymptotic behavior. To this end, we are also making use of monotone operator theory as some of the provided algorithms are originally designed to solve monotone inclusion problems. After introducing basic notations and preliminary results in convex analysis, we derive two numerical methods based on different smoothing strategies for solving nondifferentiable convex optimization problems. The first approach, known as the double smoothing technique, solves the optimization problem with some given a priori accuracy by applying two regularizations to its conjugate dual problem. A special fast gradient method then solves the regularized dual problem such that an approximate primal solution can be reconstructed from it. The second approach affects the primal optimization problem directly by applying a single regularization to it and is capable of using variable smoothing parameters which lead to a more accurate approximation of the original problem as the iteration counter increases. We then derive and investigate different primal-dual methods in real Hilbert spaces. In general, one considerable advantage of primal-dual algorithms is that they are providing a complete splitting philosophy in that the resolvents, which arise in the iterative process, are only taken separately from each maximally monotone operator occurring in the problem description. We firstly analyze the forward-backward-forward algorithm of Combettes and Pesquet in terms of its convergence rate for the objective of a nondifferentiable convex optimization problem. Additionally, we propose accelerations of this method under the additional assumption that certain monotone operators occurring in the problem formulation are strongly monotone. Subsequently, we derive two Douglas–Rachford type primal-dual methods for solving monotone inclusion problems involving finite sums of linearly composed parallel sum type monotone operators. To prove their asymptotic convergence, we use a common product Hilbert space strategy by reformulating the corresponding inclusion problem reasonably such that the Douglas–Rachford algorithm can be applied to it. Finally, we propose two primal-dual algorithms relying on forward-backward and forward-backward-forward approaches for solving monotone inclusion problems involving parallel sums of linearly composed monotone operators. The last part of this thesis deals with different numerical experiments where we intend to compare our methods against algorithms from the literature. The problems which arise in this part are manifold and they reflect the importance of this field of research as convex optimization problems appear in lots of applications of interest.

Abstract This thesis focuses on transceiver optimization for heterogeneous multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications systems. The aim is to design decentralized beamforming methods with low signaling overhead for improved spatial spectrum utilization. A wide range of transceiver optimization techniques are covered, with particular consideration of decentralized optimization, fast convergence, computational complexity and signaling limitations. The proposed methods are shown to provide improved rate of convergence, when compared to the conventional weighted minimum MSE (WMMSE) approach. This makes them suitable for time-correlated channel conditions, in which the ability to follow the changing channel conditions is essential. Coordinated beamforming under quality of service (QoS) constraints is considered for interfering broadcast channel. Decomposition based decentralized processing approaches are shown to enable the weighted sum rate maximization (WSRMax) in time-correlated channel conditions. Pilot-aided decentralized WSRMax beamformer estimation is studied for coordinated multi-point (CoMP) joint processing (JP). In stream specific estimation (SSE), all effective channels are individually estimated. The beamformers are then constructed from the locally estimated channels. On the other hand, with direct estimation (DE) of the beamformers, only the intended signal needs to be separately estimated and the covariance matrices are implicitly estimated from the received pilot training matrices. This makes the pilot design more robust to pilot contamination. These methods show that CoMP JP is feasible even in relatively fading channel conditions and with limited backhaul capacity by employing decentralized beamformer processing. In the final part of the thesis, a relay-assisted cellular system with decentralized processing is considered, in which users are served either directly by the base stations or via relays for WSRMax or sum power minimization subject to rate constraints. Zero-forcing and coordinated beamforming provide a trade-off between complexity, in-band signaling and spectrum utilization. Relays are shown to be beneficial in many scenarios when the in-band signaling is accounted for. This thesis shows that decentralized downlink MIMO transceiver design with a reasonable computational complexity is feasible in various system architectures even when signaling resources are limited and channel conditions are moderately fast fading. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lähetin- ja vastaanotinoptimointiin heterogeenisissä monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmissä. Tavoitteena on parantaa tilatason suorituskykyä tutkimalla hajautettuja keilanmuodostusmenetelmiä, joissa ohjaussignaloinnin tarve on alhainen. Erityisesti keskitytään hajautetun keilanmuodostuksen optimointiin, nopeaan konvergenssiin, laskennalliseen kompleksisuuteen sekä signaloinnin rajoitteisiin. Esitettyjen menetelmien osoitetaan parantavan konvergenssinopeutta ja vähentävän signaloinnin tarvetta, verrattaessa tunnettuun WMMSE-menetelmään. Nämä mahdollistavat lähetyksen aikajatkuvissa kanavissa, joissa kanavan muutosten seuraaminen on erityisen tärkeää. Näiden menetelmien osoitetaan mahdollistavan hajautetun ja priorisoidun tiedonsiirtonopeuden maksimoinnin monisolujärjestelmissä sekä aikajatkuvissa kanavissa käyttäjäkohtaisilla siirtonopeustakuilla. Pilottiavusteisten lähetys- ja vastaanotinkeilojen estimointia tutkitaan yhteislähetysjärjestelmissä. Yksittäisten lähetyskanavien estimoinnissa effektiiviset kanavat estimoidaan yksitellen, ja lähetys- ja vastaanotinkovarianssimatriisit muodostetaan summaamalla paikalliset kanavaestimaatit. Suoraestimoinnissa ainoastaan oman käyttäjän effektiivinen kanava estimoimaan erikseen. Tällöin kovarianssimatriisit saadaan suoraan vastaanotetuista pilottisignaaleista. Tämä tekee estimaateista vähemmän herkkiä häiriölle. Hajautetun yhteislähetyksen osoitetaan olevan mahdollista, jopa verrattain nopeasti muuttuvissa kanavissa sekä rajallisella verkkoyhteydellä lähettimien välillä. Viimeisessä osassa tutkitaan välittäjä-avusteisia järjestelmiä, joissa käyttäjiä palvellaan joko suoraan tukiasemasta tai välittäjä-aseman kautta. Optimointikriteereinä käytetään siirtonopeuden maksimointia sekä lähetystehon minimointia siirtonopeustakuilla. Nollaanpakottava sekä koordinoitu keilanmuodostus tarjoavat valinna laskennallisen kompleksisuuden, ohjaussignaloinnin sekä suorituskyvyn välillä. Välittäjä-avusteisen lähetyksen osoitetaan olevan hyödyllisiä useissa tilanteissa, kun radiorajanpinnan yli tapahtuvan signaloinnin tarve otetaan huomioon keilanmuodostuksessa. Tässä väitöskirjassa osoitetaan hajautetun keilanmuodostuksen olevan mahdollista verrattaen vähäisillä laskennallisilla resursseilla heterogeenisissä moniantennijärjestelmissä. Esitetyt menetelmät tarjoavat ratkaisuja järjestelmiin, joissa ohjaussignalointiresurssit ovat rajallisia ja radiokanava on jatkuvasti muuttuva.

Abstract This thesis focuses on the design of coordinated downlink beamforming techniques for wireless multi-cell multi-user multi-antenna systems. In particular, cellular and cognitive radio networks are considered. In general, coordinated beamforming schemes aim to improve system performance, especially at the cell-edge area, by controlling inter-cell interference. In this work, special emphasis is put on practical coordinated beamforming designs that can be implemented in a decentralized manner by relying on local channel state information (CSI) and low-rate backhaul signaling. The network design objective is the sum power minimization (SPMin) of base stations (BSs) while providing the guaranteed minimum rate for each user. Decentralized coordinated beamforming techniques are developed for cellular multi-user multiple-input single-output (MISO) systems. The proposed iterative algorithms are based on classical primal and dual decomposition methods. The SPMin problem is decomposed into two optimization levels, i.e., BS-specific subproblems for the beamforming design and a network-wide master problem for the inter-cell interference coordination. After the acquisition of local CSI, each BS can independently compute its transmit beamformers by solving the subproblem via standard convex optimization techniques. Interference coordination is managed by solving the master problem via a traditional subgradient method that requires scalar information exchange between the BSs. The algorithms make it possible to satisfy the user-specific rate constraints for any iteration. Hence, delay and signaling overhead can be reduced by limiting the number of performed iterations. In this respect, the proposed algorithms are applicable to practical implementations unlike most of the existing decentralized approaches. The numerical results demonstrate that the algorithms provide significant performance gains over zero-forcing beamforming strategies. Coordinated beamforming is also studied in cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The corresponding non-convex SPMin problem is divided into transmit and receive beamforming optimization steps that are alternately solved via successive convex approximation method and the linear minimum mean square error criterion, respectively, until the desired level of convergence is attained. In addition to centralized design, two decentralized primal decomposition-based algorithms are proposed wherein the transmit and receive beamforming designs are facilitated by a combination of pilot and backhaul signaling. The results show that the proposed MIMO algorithms notably outperform the MISO ones. Finally, cellular coordinated beamforming strategies are extended to multi-user MISO cognitive radio systems, where primary and secondary networks share the same spectrum. Here, network optimization is performed for the secondary system with additional interference constraints imposed for the primary users. Decentralized algorithms are proposed based on primal decomposition and an alternating direction method of multipliers. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnitteluun langattomissa monisolu- ja moniantennijärjestelmissä, erityisesti solukko- ja kognitiiviradioverkoissa. Yhteistoiminnalliset keilanmuodostustekniikat pyrkivät parantamaan verkkojen suorituskykyä kontrolloimalla monisoluhäiriötä, erityisesti tukiasemasolujen reuna-alueilla. Tässä työssä painotetaan erityisesti käytännöllisten yhteistoiminnallisten keilanmuodostustekniikoiden suunnittelua, joka voidaan toteuttaa hajautetusti perustuen paikalliseen kanavatietoon ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Verkon suunnittelutavoite on minimoida tukiasemien kokonaislähetysteho samalla, kun jokaiselle käyttäjälle taataan tietty vähimmäistiedonsiirtonopeus. Hajautettuja yhteistoiminnallisia keilanmuodostustekniikoita kehitetään moni-tulo yksi-lähtö -solukkoverkoille. Oletuksena on, että tukiasemat ovat varustettuja monilla lähetysantenneilla, kun taas päätelaitteissa on vain yksi vastaanotinantenni. Ehdotetut iteratiiviset algoritmit perustuvat klassisiin primaali- ja duaalihajotelmiin. Lähetystehon minimointiongelma hajotetaan kahteen optimointitasoon: tukiasemakohtaisiin aliongelmiin keilanmuodostusta varten ja verkkotason pääongelmaan monisoluhäiriön hallintaa varten. Paikallisen kanavatiedon hankkimisen jälkeen jokainen tukiasema laskee itsenäisesti lähetyskeilansa ratkaisemalla aliongelmansa käyttäen apunaan standardeja konveksioptimointitekniikoita. Monisoluhäiriötä kontrolloidaan ratkaisemalla pääongelma käyttäen perinteistä aligradienttimenetelmää. Tämä vaatii tukiasemien välistä informaationvaihtoa. Ehdotetut algoritmit takaavat käyttäjäkohtaiset tiedonsiirtonopeustavoitteet jokaisella iterointikierroksella. Tämä mahdollistaa viiveen pienentämisen ja tukiasemien välisen informaatiovaihdon kontrolloimisen. Tästä syystä ehdotetut algoritmit soveltuvat käytännön toteutuksiin toisin kuin useimmat aiemmin ehdotetut hajautetut algoritmit. Numeeriset tulokset osoittavat, että väitöskirjassa ehdotetut algoritmit tuovat merkittävää verkon suorituskyvyn parannusta verrattaessa aiempiin nollaanpakotus -menetelmiin. Yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tutkitaan myös moni-tulo moni-lähtö -solukkoverkoissa, joissa tukiasemat sekä päätelaitteet ovat varustettuja monilla antenneilla. Tällaisessa verkossa lähetystehon minimointiongelma on ei-konveksi. Optimointiongelma jaetaan lähetys- ja vastaanottokeilanmuodostukseen, jotka toistetaan vuorotellen, kunnes algoritmi konvergoituu. Lähetyskeilanmuodostusongelma ratkaistaan peräkkäisillä konvekseilla approksimaatioilla. Vastaanottimen keilanmuodostus toteutetaan summaneliövirheen minimoinnin kautta. Keskitetyn algoritmin lisäksi tässä työssä kehitetään myös kaksi hajautettua algoritmia, jotka perustuvat primaalihajotelmaan. Hajautettua toteutusta helpotetaan pilottisignaloinnilla ja tukiasemien välisellä informaationvaihdolla. Numeeriset tulokset osoittavat, että moni-tulo moni-lähtö -tekniikoilla on merkittävästi parempi suorituskyky kuin moni-tulo yksi-lähtö -tekniikoilla. Lopuksi yhteistoiminnallista keilanmuodostusta tarkastellaan kognitiiviradioverkoissa, joissa primaari- ja sekundaarijärjestelmät jakavat saman taajuuskaistan. Lähetystehon optimointi suoritetaan sekundaariverkolle samalla minimoiden primaarikäyttäjille aiheuttamaa häiriötä. Väitöskirjassa kehitetään kaksi hajautettua algoritmia, joista toinen perustuu primaalihajotelmaan ja toinen kerrointen vaihtelevan suunnan menetelmään.

No description available.