Abstract The high increase in traffic and data rate for future generations of mobile communication systems, with simultaneous requirement for reduced power consumption, makes Multihop Cellular Networks (MCNs) an attractive technology. To exploit the potentials of MCNs a number of new network paradigms are proposed in this thesis. First, a new algorithm for efficient relaying topology control is presented to jointly optimize the relaying topology, routing and scheduling resulting in a two dimensional or space time routing protocol. The algorithm is aware of intercell interference (ICI), and requires coordinated action between the cells to jointly choose the relaying topology and scheduling to minimize the system performance degradation due to ICI. This framework is extended to include the optimization of power control. Both conventional and cooperative relaying schemes are considered. In addition, a novel sequential genetic algorithm (SGA) is proposed as a heuristic approximation to reconfigure the optimum relaying topology as the network traffic changes. Network coding is used to combine the uplink and downlink transmissions, and incorporate it into the optimum bidirectional relaying with ICI awareness. Seeking for a more tractable network model to effectively use context awareness and relying on the latest results on network information theory, we apply a hexagonal tessellation for inner partition of the cell into smaller subcells of radius r. By using only one single topology control parameter (r), we jointly optimize routing, scheduling and power control to obtain the optimum trade-off between throughput, delay and power consumption in multicast MCNs. This model enables high resolution optimization and motivates the further study of network protocols for MCNs. A new concept for route discovery protocols is developed and the trade-off between cooperative diversity and spatial reuse is analyzed by using this model. Finally, a new architecture for MCN is considered where multihop transmissions are performed by a Delay Tolerant Network, and new solutions to enhance the performance of multicast applications for multimedia content delivery are presented. Numerical results have shown that the algorithms suggested in this thesis provide significant improvement with respect to the existing results, and are expected to have significant impact in the analysis and design of future cellular networks. / Tiivistelmä Tiedonsiirron ja tiedonsiirtonopeuksien suuri kasvu sekä tehonkulutuksen pieneneminen tulevien sukupolvien matkapuhelinjärjestelmissä tekevät monihyppyiset matkapuhelinverkot houkutteleviksi vaihtoehdoiksi. Tässä työssä esitetään uusia tiedonsiirtoverkkojen paradigmoja monihyppyisten matkapuhelinverkkojen hyödyntämiseksi. Työssä esitellään uusi algoritmi tehokkaaseen releointitopologian hallintaan, joka optimoi yhtäaikaisesti topologian, reitityksen sekä lähetyshetkien ajoituksen ja mahdollistaa tila-aika-reititysprotokollan toteutuksen. Esitetty algoritmi huomioi solujen keskinäishäiriön ja vaaditulla solujen välisellä koordinoidulla hallinnalla saadaan yhdessä valittua topologia ja ajoitus, jotka minimoivat solujen keskinäisistä häiriöistä johtuvan suorituskyvyn heikentymisen. Myöhemmin tätä viitekehystä on laajennettu lisäämällä siihen tehonsäädön optimointi. Työssä on tutkittu sekä perinteisiä että kooperatiivisia releointimenetelmiä. Lisäksi työssä esitetään uusi geneettinen algoritmi heuristiseksi approksimaatioksi verkon liikenteen muutoksen vaatimaan releointitopologian uudelleen järjestelyyn. Työssä tarkastellaan lisäksi verkkokoodausta ylä- ja alasuuntaan tapahtuvan tiedonsiirron yhdistämiseksi sisällyttämällä se solujen keskinäishäiriön huomioivaan kahdensuuntaiseen releointiin. Etsittäessä paremmin mukautuvaa ja kontekstitietoisuutta hyödyntävää verkkomallia, joka käyttää hyväkseen viimeisimpiä verkkojen informaatioteoreettisia tuloksia, voidaan verkon solut pilkkoa pienempiin kuusikulmaisiin alisoluihin. Käyttämällä ainoastaan näiden alisolujen sädettä r voidaan puolestaan verkon reititys, ajoitus ja tehon säätö optimoida yhtäaikaisesti saavuttaen paras mahdollinen kompromissi verkon läpäisyn, viiveen ja tehonkulutuksen välillä. Kehitetty malli mahdollistaa korkean resoluution optimoinnin ja motivoi uusien verkkoprotokollien kehitystä monihyppyisissä matkapuhelinverkoissa. Tätä mallia käyttäen esitellään myös uusi konsepti reitinetsintäprotokollille sekä analysoidaan kooperatiivisen diversiteetin ja tila-avaruudessa tapahtuvan uudelleenkäytön välistä kompromissiratkaisua. Lopuksi työssä tarkastellaan monihyppyisen matkapuhelinverkon uutta arkkitehtuuria, jossa monihyppylähetykset suoritetaan viivesietoisella verkolla ja esitetään uusia ratkaisuja multimediasisällön monilähetysten tehokkuuden parantamiseksi. Työssä saadut tulokset osoittavat, että ehdotetut algoritmit parantavat järjestelmien suorituskykyä verrattuna aiemmin tiedossa olleisiin tuloksiin. Työn tuloksilla voidaan olettaa myös olevan suuri vaikutus tulevaisuuden matkapuhelinverkkojen analysointiin ja suunnitteluun.

Abstract This thesis examines radio resource management techniques for multicell multi-input single-output (MISO) downlink networks. Specifically, the thesis focuses on developing linear transmit beamforming techniques by optimizing certain quality-of-service (QoS) features, including, spectral efficiency, fairness, and throughput. The problem of weighted sum-rate-maximization (WSRMax) has been identified as a central problem to many network optimization methods, and it is known to be NP-hard. An algorithm based on a branch and bound (BB) technique which globally solves the WSRMax problem with an optimality certificate is proposed. Novel bounding techniques via conic optimization are introduced and their efficiency is illustrated by numerical simulations. The proposed BB based algorithm is not limited to WSRMax only; it can be easily extended to maximize any system performance metric that can be expressed as a Lipschitz continuous and increasing function of the signal-to-interference-plus-noise (SINR) ratio. Beamforming techniques can provide higher spectral efficiency, only when the channel state information (CSI) of users is accurately known. However, in practice the CSI is not perfect. By using an ellipsoidal uncertainty model for CSI errors, both optimal and suboptimal robust beamforming techniques for the worst-case WSRMax problem are proposed. The optimal method is based on a BB technique. The suboptimal algorithm is derived using alternating optimization and sequential convex programming. Through a numerical example it is also shown how the proposed algorithms can be applied to a scenario with statistical channel errors. Next two decentralized algorithms for multicell MISO networks are proposed. The optimization problems considered are: P1) minimization of the total transmission power subject to minimum SINR constraints of each user, and P2) SINR balancing subject to the total transmit power constraint of the base stations. Problem P1 is of great interest for obtaining a transmission strategy with minimal transmission power that can guarantee QoS for users. In a system where the power constraint is a strict system restriction, problem P2 is useful in providing fairness among the users. Decentralized algorithms for both problems are derived by using a consensus based alternating direction method of multipliers. Finally, the problem of spectrum sharing between two wireless operators in a dynamic MISO network environment is investigated. The notion of a two-person bargaining problem is used to model the spectrum sharing problem, and it is cast as a stochastic optimization. For this problem, both centralized and distributed dynamic resource allocation algorithms are proposed. The proposed distributed algorithm is more suitable for sharing the spectrum between the operators, as it requires a lower signaling overhead, compared with centralized one. Numerical results show that the proposed distributed algorithm achieves almost the same performance as the centralized one. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa tarkastellaan monisoluisten laskevan siirtotien moniantennilähetystä käyttävien verkkojen radioresurssien hallintatekniikoita. Väitöskirjassa keskitytään erityisesti kehittämään lineaarisia siirron keilanmuodostustekniikoita optimoimalla tiettyjä palvelun laadun ominaisuuksia, kuten spektritehokkuutta, tasapuolisuutta ja välityskykyä. Painotetun summadatanopeuden maksimoinnin (WSRMax) ongelma on tunnistettu keskeiseksi monissa verkon optimointitavoissa ja sen tiedetään olevan NP-kova. Tässä työssä esitetään yleinen branch and bound (BB) -tekniikkaan perustuva algoritmi, joka ratkaisee WSRMax-ongelman globaalisti ja tuottaa todistuksen ratkaisun optimaalisuudesta. Samalla esitellään uusia conic-optimointia hyödyntäviä suorituskykyrajojen laskentatekniikoita, joiden tehokkuutta havainnollistetaan numeerisilla simuloinneilla. Ehdotettu BB-perusteinen algoritmi ei rajoitu pelkästään WSRMax-ongelmaan, vaan se voidaan helposti laajentaa maksimoimaan mikä tahansa järjestelmän suorituskykyarvo, joka voidaan ilmaista Lipschitz-jatkuvana ja signaali-(häiriö+kohina) -suhteen (SINR) kasvavana funktiona. Keilanmuodostustekniikat voivat tuottaa suuremman spektritehokkuuden vain, jos käyttäjien kanavien tilatiedot tiedetään tarkasti. Käytännössä kanavan tilatieto ei kuitenkaan ole täydellinen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan WSRMax-ongelman ääritapauksiin sekä optimaalinen että alioptimaalinen keilanmuodostustekniikka soveltaen tilatietovirheisiin ellipsoidista epävarmuusmallia. Optimaalinen tapa perustuu BB-tekniikkaan. Alioptimaalinen algoritmi johdetaan peräkkäistä konveksiohjelmointia käyttäen. Numeerisen esimerkin avulla näytetään, miten ehdotettuja algoritmeja voidaan soveltaa skenaarioon, jossa on tilastollisia kanavavirheitä. Seuraavaksi ehdotetaan kahta hajautettua algoritmia monisoluisiin moniantennilähetyksellä toimiviin verkkoihin. Tarkastelun kohteena olevat optimointiongelmat ovat: P1) lähetyksen kokonaistehon minimointi käyttäjäkohtaisten minimi-SINR-rajoitteiden mukaan ja P2) SINR:n tasapainottaminen tukiasemien kokonaislähetystehorajoitusten mukaisesti. Ongelma P1 on erittäin kiinnostava, kun pyritään kehittämään mahdollisimman pienen lähetystehon vaativa lähetysstrategia, joka pystyy takaamaan käyttäjien palvelun laadun. Ongelma P2 on hyödyllinen tiukasti tehorajoitetussa järjestelmässä, koska se tarjoaa tasapuolisuutta käyttäjien välillä. Molempien ongelmien hajautetut algoritmit johdetaan konsensusperusteisen vuorottelevan kertoimien suuntaustavan avulla. Lopuksi tarkastellaan kahden langattoman operaattorin välisen spektrinjaon ongelmaa dynaamisessa moniantennilähetystä käyttävässä verkkoympäristössä. Spektrinjako-ongelmaa mallinnetaan käyttämällä kahden osapuolen välistä neuvottelua stokastisen optimoinnin näkökulmasta. Tähän ongelmaan ehdotetaan ratkaisuksi sekä keskitettyä että hajautettua resurssien allokoinnin algoritmia. Hajautettu algoritmi sopii paremmin spektrin jakamiseen operaattorien välillä, koska se vaatii vähemmän kontrollisignalointia. Numeeriset tulokset osoittavat, että ehdotetulla hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes sama suorituskyky kuin keskitetyllä algoritmillakin.

Abstract This thesis includes three studies on household preferences for energy goods and services. The first study examines determinants of households’ heating system choices using a choice experiment. The choice sets include six main heating alternatives (district heating, ground heat pump, exhaust air heat pump, solid wood boiler, wood pellet boiler, and electric storage heating) that are described by five attributes (supplementary heating systems, investment costs, operating costs, comfort of use and environmental friendliness). The results imply that hybrid heating appears to be accepted among households. The results also reveal differing preferences for the main heating alternatives and show that they are affected by demographic characteristics. The studied attributes also play a significant role when heating systems are being chosen. The second study is a methodological one that extends the analysis of the first study. The second study explores the effect of perceived choice complexity on the randomness of choices in choice experiments. The study investigates how different self-evaluated factors of choice complexity affect mean scale and scale variance. The findings suggest that perceived choice complexity has a systematic impact on the parameters of econometric models of choice. However, differences exist between alternative self-evaluated complexity-related covariates. The results indicate that individuals who report that answering the choice tasks is more difficult have less deterministic choices. Perceptions of the realism of home heating choice options also affect scale and scale variance. The third study utilizes the choice experiment to analyze households’ willingness to participate in demand side flexibility. The study examines whether individuals are willing to time their electricity usage and heating; whether they are interested in dynamic pricing contracts such as real-time pricing, two-rate tariffs, or power-based tariffs; and how emissions reductions affect their choices. The results indicate that households’ sensitivity to restrictions in electricity usage is much stronger than their sensitivity to restrictions in heating. Households also require compensation to choose real-time pricing over fixed fees. The findings suggest that room may exist for new dynamic electricity distribution contracts, such as power-based tariffs, in the market. Other value-creating elements besides monetary compensation also exist that could incentivize households to offer demand side flexibility because households value power system level reductions in CO2 emissions. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja koostuu kolmesta tutkimuksesta, joissa tarkastellaan kotitalouksien preferenssejä energiahyödykkeitä ja -palveluita kohtaan. Ensimmäinen tutkimus keskittyy kotitalouksien lämmitysjärjestelmävalintoihin ja niitä määrittäviin tekijöihin. Tämä tutkimus on tehty valintakoemenetelmällä, jonka valintatilanteet sisältävät kuusi eri päälämmitysjärjestelmävaihtoehtoa (kaukolämpö, maalämpöpumppu, puulämmitys, pellettilämmitys, varaava sähkölämmitys ja poistoilmalämpöpumppu). Päälämmitysjärjestelmiä kuvataan viiden ominaisuuden avulla, jotka ovat tukilämmitysjärjestelmä, investointikustannukset, käyttökustannukset, käyttömukavuus ja ympäristöystävällisyys. Tulosten mukaan kotitalouksien preferenssit päälämmitysjärjestelmävaihtoehtoja kohtaan ovat vaihtelevia. Valintaan vaikuttavat sekä tarkastellut ominaisuudet että kotitalouden demografiset tekijät. Tulokset myös paljastavat, että kotitaloudet suhtautuvat myönteisesti hybridilämmitykseen. Toinen tutkimus on menetelmällinen, missä hyödynnetään ensimmäisen tutkimuksen aineistoa. Tämä tutkimus keskittyy yksilöiden kokeman vastaamisen vaikeuden vaikutuksiin valintakoemenetelmässä. Vastaamisen epätarkkuus tunnistetaan valintakoemenetelmässä skaalan ja skaalavarianssin avulla. Tutkimus tarkastelee, kuinka itsearvioidut vastaamisen vaikeutta mittaavat tekijät vaikuttavat keskimääräiseen skaalaan ja skaalavarianssiin valintojen ekonometrisissa malleissa. Tulosten mukaan koettu vastaamisen vaikeus vaikuttaa systemaattisesti ekonometrisen valintamallin parametreihin. Vastaamisen vaikeutta mittaavien tekijöiden välillä on kuitenkin eroja. Tuloksien perusteella vastaajat, jotka kokevat valintatilanteisiin vastaamisen keskimääräistä vaikeampana, tekevät satunnaisempia valintoja. Myös valintatilanteiden koettu realistisuus vaikuttaa skaalaan ja skaalavarianssiin. Kolmannessa tutkimuksessa arvioidaan kotitalouksien halukkuutta osallistua energian kysyntäjoustoon valintakoemenetelmällä. Tämä tutkimus selvittää ovatko kotitaloudet halukkaitta siirtämään sähkönkulutusta ja lämmitystä, ja kuinka kiinnostuneita he ovat dynaamisista sähkön hinnoittelusopimuksista kuten pörssisähkösopimuksesta, yösähkösopimuksesta tai tehoperusteisesta sopimuksesta. Lisäksi tutkitaan vaikuttavatko järjestelmätason päästövähennykset kotitalouksien valintoihin. Tulosten perusteella kotitaloudet suhtautuvat sähkönkulutuksen rajoituksiin selvästi negatiivisemmin kuin lämmityksen rajoituksiin. Kotitaloudet myös vaativat rahallista korvausta valitakseen pörssisähkösopimuksen kiinteähintaisen sopimuksen sijaan. Tulosten mukaan markkinoilla voisi olla tilaa uudenlaisille sopimustyypeille, kuten tehoperusteiselle vaihtoehdolle. Tulokset osoittavat, että kotitaloudet arvostavat järjestelmätason hiilidioksidipäästövähennyksiä. Täten rahallisen korvauksen lisäksi on olemassa myös muita arvoa luovia tekijöitä lisätä kotitalouksien osallistumista kysyntäjoustoon.