Abstract The aim of this thesis is to devise novel cooperative paradigms that allow small base stations (SBSs) to perform joint optimizations in the field of interference and spectral resource management, in an automated, self-organizing way. Fostering cooperation requires a careful negotiation process and incurs additional operational costs that can ultimately limit the scalability of such an approach. Hence, we design cooperative models around the self-organizing functions of small cell networks, through which each SBS dynamically adapts its own cooperative strategy to the current network status. In the first part of the thesis, we study the co-tier interference in the downlink of an underlay small cell tier. Showing that mutual interference is a limiting factor, we propose a cooperative scheme based on the concept of interference alignment. Thereby, the SBSs autonomously devise their cooperative strategy, select partner small base stations and suppress the mutual interference via alignment. In the second part, we extend the above problem by considering additional constraints posed by non-cooperative macro cell users sharing the spectrum with the SBSs. Due to the dimension of such a problem, we show that interference alignment solutions do not often exist, hence, we propose a distributed solution based on the concept of interference draining for solving the interfering signals in the space-frequency domain. Finally, we focus on inter-tier cooperation and propose an adaptive hybrid access policy based on spectrum leasing, which jointly enhances the SBSs' transmission capacity and the macro cell users' QoS . In the studied scenarios, we highlight how SBSs' individual performance is network-dependent, due to the shared nature of the spectrum and the network infrastructure. For addressing such issues, we use novel concepts from coalitional games in partition form in which the strategic decisions are optimized by accounting for external effects, such as interference or dynamic spectrum allocation. Based on the properties of optimality of coalitional games in partition form, the proposed cooperative solutions show two key features. First, by leveraging on decentralized strategic decisions, complex interference management techniques, such as interference alignment or draining, can be implemented in practical, scalable way. Second, although notable cooperative solutions exists for certain problem dimensions, the proposed algorithms are shown to be effective for a wide range of network sizes, by achieving significant data rate enhancement and low overhead. / Tiivistelmä Työssä käsitellään merkittäviä häiriön ja radioresurssien hallintaongelmia ja ehdotetaan käytännöllisiä yhteistoiminnallisuusmalleja, jotka tuottavat merkittäviä suorituskykyparannuksia, ja samaan aikaan ottavat huomioon yhteistyön kustannukset ja strategisten päätösten vaikutuksen piensolujen keskinäiseen suorituskykyyn. Työn ensimmäisessa osassa tutkitaan makro- ja piensoluverkon välistä häiriötä laskevalla siirtosuunnalla. Koska keskinäishäiriö osoittautuu merkittäväksi rajoittavaksi tekijäksi, ehdotetaan yhteistyömenetelmää, joka perustuu ns. häiriön laskostamiseen. Tällaisessa menetelmässä pientukiasemat päättävät itsenäisesti yhteistyöstrategiansa ja valitsevat ne tukiasemat, joiden kanssa tehdään yhteistyötä ja vaimennetaan keskinäishäiriötä laskostamalla. Työn toisessa osassa edellämainittua ongelmaa laajennataan ottamalla huomioon rajoitteet, jotka aiheutuvat samoja taajuusresursseja jakavista, mutta piensolutukiasemien kanssa yhteistyötä tekemättömistä makrosoluista. Ongelman laajuudesta havaitaan, että yleensä häiriön laskostusratkaisua ei löydy tällaisessa ongelmassa. Niinpä ehdotetaan hajautettua häiriön kohdennukseen perustuvaa ratkaisua, jossa häiriösignaalit lomitellaan tila-taajuustasossa. Työn viimeisessä osassa keskitytään eri tyyppisten tukiasemasolujen kesken käytävään yhteistyöhön ja ehdotetaan mukautuvaa taajuusspektrin vuokraamiseen perustuvaa hybridi-käyttöoikeusmenetelmää, joka parantaa piensolujen kapasiteettia ja makrosolukäyttäjien palvelun laatua. Kaikissa tutkituissa menetelmissä korostetaan kuinka yksittäisen pientukiaseman suorituskyky on verkosta riippuvainen johtuen jaetusta taajuuskaistasta ja verkkoinfrastuktuurista. Näissä skenaarioissa käytetään uusia ositukseen perustuvia ns. liittoumapelikonsepteja. Tämän tyyppisissä peleissä strategiset päätökset on optimoitu ottamalla huomioon ulkoiset tekijät kuten häiriö ja dynaaminen taajuuden allokointi. Ositukseen perustuvien liitoumapelien optimaalisuus- ja stabiilisuusominaisuuksien pohjalta ehdotetaan hajautettuja algoritmeja tutkittuihin ongelmiin. Ehdotetut yhteistoiminnalliset ratkaisut osoittavat kaksi avaintekijää. Ensinnäkin käyttämällä hajautettuja strategisia päätöksiä kompleksiset häiriönhallintatekniikat, kuten häiriön lomittelu ja kohdennus, voidaan toteuttaa käytännöllisesti siten, että hyöty-kustannussuhde on tasapainossa. Toiseksi, vaikka merkittäviä yhteistyöratkaisuja on olemassa tietyn dimensioisiin ongelmiin, ehdotetut algoritmit ovat osoittautuneet tehokkaiksi hyvin erikokoisissa verkoissa. Samalla on saavutettu merkittäviä datanopeusparannuksia ja hyvä skaalautuvuus.

Abstract This thesis aims to evaluate networking aspects of autonomous packets access systems when dynamically and adaptively performing resource and network management. In this context, Quality of Service (QoS)-aware solutions for resource sharing and control (e.g., channel access, load control, interference management and routing techniques among others) in large-scale wireless networks are envisaged. We propose and investigate distributed coordination mechanisms for controlling the co-channel interference generated in multi-tier coexistence scenarios consisting of macrocells underlaid with short-range small cells. The rationale behind employing such mechanism is to opportunistically reuse resources without compromising ongoing transmissions on the overlaid macrocells, while still guaranteeing QoS in both tiers. To mitigate the resulting co-channel interference, the underlaid tiers of small cells use distributed mechanism that relies on minimal signaling exchange, e.g., the Time Division Duplexing (TDD)-underlay approach which is based on regular busy tones. Herein, stochastic geometry is used to model network deployments, while higherorder statistics through the cumulants concept is utilized to characterize the probability distribution of the aggregate interference at the tagged receiver. To conduct our studies, we consider a shadowed fading channel model incorporating log-normal shadowing and Nakagami-m fading. In addition, various network algorithms, such as power control and frequency (re)allocation, are included in the analytical framework. To evaluate the performance of the proposed solutions, we also derive closed-form expressions for the outage probability and average spectral efficiency with respect to the receiver of interest under various channel conditions and network configurations. Results show that the analytical framework matches well with numerical results obtained from Monte Carlo simulations, and that the coordination mechanisms substantially improve the performance of overlaid macrocell networks, while also benefiting small cells. In contrast to the uncoordinated Frequency Division Duplexing mode, the coordinated TDD-underlay solution shows a reduction in the outage probability, while the average spectral efficiency increases at high loads. Although more elaborated interference control techniques such as, downlink bitmap and distributed antennas systems become needed, when the density of uncoordinated small cells in the underlaid tier gets high. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja pyrkii arvioimaan autonomisia pakettikytkentäisiä järjestelmiä verkon näkökulmasta, kun resurssien ja verkon hallinta tapahtuu dynaamisesti ja adaptiivisesti. Tässä yhteydessä suunnitellaan QoS-tietoisia ratkaisuja resurssien jakamiseen ja hallintaan (esim. kanavan allokointi, kuorman hallinta, häiriön käsittely ja reititystekniikat) suuren skaalan langattomiin verkkoihin. Ehdotamme ja tutkimme hajautettuja koordinointimekanismeja monikanavien häiriöiden hallintaan monitasoisissa skenaarioissa, jotka koostuvat lyhyen kantaman soluista makrosoluissa. Peruste näille mekanismeille on resurssien opportunistinen uudelleenkäyttö tinkimättä käynnissä olevista lähetyksistä suuremmissa makrosoluissa, samalla kun QoS taataan molemman tason lähetyksissä. Pienentääkseen aiheutuvaa monikanavahäiriöitä, alemman tason pienet solut käyttävät hajautettua mekanismia, kuten esimerkiksi säännöllisiin varattu-ääniin perustuvaa Time Division Duplexing (TDD) - mekanismia, vähällä signaalien vaihdon määrällä. Stokastista geometriaa käytetään mallintamaan verkkoja, kun taas korkeamman tason tilastollista laskentaa kumulanttimenetelmän käsitteen kautta käytetään kuvaamaan kokonaishäiriön todennäköisyysjakaumaa merkityssä vastaanottimessa. Käsittelemme varjostuvaa ja häipyvää kanavamallia sisältäen log-normaalin varjostumisen ja Nakagamim häipymisen. Lisäksi sisällytämme analyyttiseen työhön monenlaisia verkkoalgoritmeja tehohallintaan ja taajuuden (uudelleen)allokointiin. Ehdotettujen ratkaisujen tehokkuuden arvioimiseksi johdamme myös suljetut muodot katkosten todennäköisyyksille ja keskimääräiselle spektrin käytön tehokkuudelle halutun vastaanottimen suhteen monissa kanavatiloissa ja verkon kokoonpanoissa. Tulokset osoittavat, että analyyttisen työn tulokset vastaavat hyvin Monte Carlo - simulaatioilla saatujen numeeristen tulosten kanssa ja että koordinointimekanismit parantavat makrosoluverkkojen tehokkuutta merkittävästi, samalla kun myös pienet solut hyötyvät. Toisin kuin koordinoimaton Frequency Division Duplexing -toimintatila, koordinoitu TDD-toimintatila pienentää katkosten todennäköisyyttä samalla kun keskimääräinen spektrin käytön tehokkuus kasvaa suurella kuormalla. Toisaalta kehittyneemät häiriönhallintatekniikat, kuten alalinkki bittikartta sekä hajautetut antennijärjestelmät, tulevat tarpeelliseksi, kun pienten koordinoimattomattomien solujen tiheys kasvaa alemmalla tasolla.

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.