Inter-chip input-output (I/O) communication bandwidth demand, which rapidly scaled with integrated circuit scaling, has leveraged equalization techniques to operate reliably on band-limited channels at additional power and area complexity. High-bandwidth inter-chip optical interconnect architectures have the potential to address this increasing I/O bandwidth. Considering future tera-scale systems, power dissipation of the high-speed I/O link becomes a significant concern. This work presents a design flow for the power optimization and comparison of high-speed electrical and optical links at a given data rate and channel type in 90 nm and 45 nm CMOS technologies. The electrical I/O design framework combines statistical link analysis techniques, which are used to determine the link margins at a given bit-error rate (BER), with circuit power estimates based on normalized transistor parameters extracted with a constant current density methodology to predict the power-optimum equalization architecture, circuit style, and transmit swing at a given data rate and process node for three different channels. The transmitter output swing is scaled to operate the link at optimal power efficiency. Under consideration for optical links are a near-term architecture consisting of discrete vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) with p-i-n photodetectors (PD) and three long-term integrated photonic architectures that use waveguide metal-semiconductor-metal (MSM) photodetectors and either electro-absorption modulator (EAM), ring resonator modulator (RRM), or Mach-Zehnder modulator (MZM) sources. The normalized transistor parameters are applied to jointly optimize the transmitter and receiver circuitry to minimize total optical link power dissipation for a specified data rate and process technology at a given BER. Analysis results shows that low loss channel characteristics and minimal circuit complexity, together with scaling of transmitter output swing, allows electrical links to achieve excellent power efficiency at high data rates. While the high-loss channel is primarily limited by severe frequency dependent losses to 12 Gb/s, the critical timing path of the first tap of the decision feedback equalizer (DFE) limits the operation of low-loss channels above 20 Gb/s. Among the optical links, the VCSEL-based link is limited by its bandwidth and maximum power levels to a data rate of 24 Gb/s whereas EAM and RRM are both attractive integrated photonic technologies capable of scaling data rates past 30 Gb/s achieving excellent power efficiency in the 45 nm node and are primarily limited by coupling and device insertion losses. While MZM offers robust operation due to its wide optical bandwidth, significant improvements in power efficiency must be achieved to become applicable for high density applications.

In this thesis, we consider a vector Gaussian multiple access channel (MAC) with users demanding reliable communication at specific (Shannon-theoretic) rates. The objective is to assign vectors and powers to these users such that their rate requirements are met and the sum of powers received is minimum. We identify this power minimization problem as an instance of a separable convex optimization problem with linear ascending constraints. Under an ordering condition on the slopes of the functions at the origin, an algorithm that determines the optimum point in a finite number of steps is described. This provides a complete characterization of the minimum sum power for the vector Gaussian multiple access channel. Furthermore, we prove a strong duality between the above sum power minimization problem and the problem of sum rate maximization under power constraints. We then propose finite step algorithms to explicitly identify an assignment of vectors and powers that solve the above power minimization and sum rate maximization problems. The distinguishing feature of the proposed algorithms is the size of the output vector sets. In particular, we prove an upper bound on the size of the vector sets that is independent of the number of users. Finally, we restrict vectors to an orthonormal set. The goal is to identify an assignment of vectors (from an orthonormal set) to users such that the user rate requirements is met with minimum sum power. This is a combinatorial optimization problem. We study the complexity of the decision version of this problem. Our results indicate that when the dimensionality of the vector set is part of the input, the decision version is NP-complete.

Abstract This thesis concentrates on joint optimization of transmit power allocation and receive filtering in multiuser, multi-antenna communications. Due to the increasing number of wireless devices, the design of energy-efficient communication links is becoming increasingly important. In cellular mobile communications, reducing the average power consumption in uplink transmission is beneficial for users in order to extend battery life and, hence, energy efficiency in general. However, the power consumption of the high power amplifier (HPA) at the transmitter depends on the peak power of the transmission. This thesis focuses on power allocation problems for single-carrier (SC) frequency division multiple access (FDMA) and orthogonal FDMA (OFDMA) transmission assuming iterative reception. The goal in the first scheme presented in this thesis is to reduce the average power consumption by designing a power allocation method that takes into account the convergence properties of an iterative receiver in multiuser uplink communications. The proposed scheme can guarantee that the desired quality of service (QoS) is achieved after a sufficient number of iterations. Reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) in any transmission system is beneficial because it allows the use of inexpensive, energy-efficient power amplifiers. The goal in the second scheme presented in this thesis is to control the PAPR of the transmitted signal. Hence, in addition to the QoS constraint, the instantaneous PAPR constraint is derived for SC-FDMA and OFDMA transmission. Moreover, a statistical approach is considered in which the power variance of the transmitted waveform is controlled. The QoS and PAPR constraints are considered jointly and, therefore, the proposed power allocation strategy jointly takes into account the channel quality and the PAPR characteristics of the power amplifier. However, the PAPR constraint can be adopted to any SC-FDMA or OFDMA framework and it is not restricted to the scheme presented in this thesis. The objective of the optimization problems considered throughout the thesis is to minimize the sum power. The majority of the derived constraints are non-convex and therefore, two alternative successive convex approximations (SCAs) are derived for all the non-convex constraints considered. The numerical results show that the proposed power allocation strategies can significantly reduce the average transmission power of users while allowing flexible PAPR control. Hence, the proposed methods can be used to extend battery life for users and especially improve the QoS at the cell edges. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tutkitaan lähettimessä tapahtuvan tehoallokoinnin sekä vastaanottimessa tapahtuvan signaalin suodatuksen yhteisoptimointia monikäyttöön suunnatussa langattomassa moniantennikommunikaatiossa. Langattomien laitteiden lukumäärän kasvaessa energiatehokkuuden merkitys tiedonsiirtolinkkien suunnittelussa korostuu. Soluihin perustuvassa langattomassa tietoliikenteessä keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen ylälinkkilähetyksessä (käyttäjältä tukiasemaan) on tärkeää käyttäjän kannalta, sillä se pidentää laitteen akun kestoa. Lähettimen tehovahvistimen (high power amplifier (HPA)) tehonkulutus on kuitenkin verrannollinen lähetyksen huipputehoon. Väitöskirjassa luodaaan uusia menetelmiä sekä vertaillaan tehoallokointia yhden kantoaallon taajuustason monikäyttöön (single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA)) ja ortogonaalisen taajuustason monikäyttöön (orthogonal FDMA (OFDMA)) perustuvissa lähetysteknologioissa. Työn ensimmäisessä osiossa tavoitteena on keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen monen käyttäjän ylälinkkikommunikaatiossa suunnittelemalla tehoallokointimenetelmä, joka ottaa huomioon iteratiivisen vastaanottimen konvergenssiominaisuudet. Työssä ehdotettu menetelmä takaa vastaanotetun informaation halutun laadun (quality of service (QoS)) riittävän monen vastaanottimessa tehdyn iteraation jälkeen. Huipputehon ja keskitehon suhteen (peak to average power ratio (PAPR)) pienentäminen missä tahansa lähetyksessä on hyödyllistä, sillä sen ansiosta voidaan käyttää energiatehokkaampia ja halvempia tehovahvistimia. Työn jälkimmäisessä osiossa tavoitteena on kontrolloida lähetetyn signaalin huipputehon ja keskitehon suhdetta. Työn ensimmäisessä osiossa esitetyn QoS-rajoitteen lisäksi tehoallokointia rajoitetaan symbolisekvenssikohtaisella PAPR-rajoitteella SCFDMA- ja OFDMA-lähetyksessä. Lisäksi esitetään tilastollinen menetelmä, jossa rajoitetaan lähetetyn signaalin tehon varianssia. Kun käytetään yhtäaikaisesti QoS- ja PAPR-rajoitteita, voidaan tiedonsiirtokanavaan suunnitella optimaalinen tehoallokointi ottaen huomioon tehovahvistimen epälineaarisuudet. Työssä esitetty PAPR-rajoite on kuitenkin geneerinen, ja se voidaan sovittaa mihin tahansa SCFDMA- tai OFDMA- optimointikehykseen. Työssä esitettävien optimointiongelmien tavoitteena on käyttäjien summatehon minimointi. Suurin osa työssä esiintyvistä ongelmista on ei-konvekseja, joten siinä esitetään kaksi vaihtoehtoista peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -menetelmää kaikille ei-konvekseille rajoitteille. Numeeriset tulokset osoittavat, että esitetyt tehoallokointimenetelmät pienentävät merkittävästi keskimääräistä tehonkulutusta mahdollistaen lisäksi adaptiivisen PAPR-kontrolloinnin. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan pidentää mobiilikäyttäjien akun kestoa sekä erityisesti parantaa solun reunakäyttäjien palvelun laatua.

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.