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 Recent advances in materials synthesis resulted in a rediscovery of the low cost copper in its one and two-dimensional forms and project newer applications of this metal in fields not considered before. In this thesis, one-dimensional copper, i.e. nanowires are synthesized by a hydrothermal route and explored for their chemical, electrical, catalytic and plasmonic properties with highlighted advantages, benefited from their size and shape compared to thin film and bulk copper. Characterization of copper nanowires and their native oxides were performed using a number of analytical techniques such as X-ray photoelectron and Auger spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction as well as scanning probe and electron microscopy techniques to elucidate the oxidation mechanism and to assess the feasibility of the oxidized materials for various applications. A few atomic layers of cuprous oxide seem to form on the surface of the nanowires instantly, maybe already during synthesis, which then slowly grows further when exposing the nanowires to ambient air leading to the appearance of cupric oxide as well. Because of the surface oxides, individual nanowires and their bundled networks exhibit semiconducting behavior, which complicates the direct use of such materials for interconnections in electronics. However, even with the presence of native oxides, copper nanowires hold promise in many other applications such as the ones explored here for plasmonics and heterogeneous catalysis. As demonstrated in this work, surface plasmon absorption properties of the nanowires can be exploited for chemical sensing of surface adsorbed molecules (model compound Rhodamine 6G) by efficiently amplifying its Raman spectrum without using any lithographically defined sensor template. Further, it is shown that phenol contamination in water may be efficiently eliminated by converting it to nontoxic polyphenol as well as to CO2 owing to the highly efficient catalytic property of the mixed oxide phases on the surface of the nanowires. The results published in this thesis contribute to the understanding of the chemical and physical behavior of copper nanowires and other low dimensional copper nanostructures that undergo rapid surface oxidation. / Tiivistelmä Jatkuva elektronisten laitteiden ja anturien pienentäminen on hyvin linjassa teknologian kehittymisen kanssa. Pyrkimys monitoimisiin ja tehokkaisiin materiaaleihin on muuttanut tavanomaisten materiaalien käsitystä. Viimeisimmät edistysaskeleet materiaalisynteesissä ovat johtaneet edullisen kuparin uudelleenlöytämiseen sen yksi- ja kaksidimensionaalisissa muodoissa ennustaen metallille uusia sovellutuksia alueilla, joissa sitä ei ole aiemmin hyödynnetty. Tässä väitöstyössä on tutkittu hydrotermisesti syntetisoitujen yksiulotteisten kuparinanojohtimien kemiallisia, sähköisiä, katalyyttisiä ja plasmonisia ominaisuuksia sekä näiden pieneen kokoon ja muotoon perustuvia etuoja ohutkalvo- ja bulkkikupariin verrattuna. Kuparinanojohtimia ja niiden luonnollisia oksideja karakterisoitiin useilla analyysitekniikoilla kuten röntgenelektroni- ja Auger-eletronispektroskopialla, Raman-spektroskopialla, röntgendiffraktiolla sekä pyyhkäisykärki- ja elektronimikroskopialla selvittäen hapettumismekanismeja ja oksidien soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin. Muutaman atomikerroksen paksuinen kupari(I)oksidikerros havaittiin muodostuvan välittömästi, luultavasti jo materiaalisynteesin aikana nanojohtimien pinnalle. Nanojohtimien altistuessa ympäröivälle ilmalle oksidikerros kehittyi hitaasti johtaen kupari(II)oksidin muodostumiseen. Pintaoksidien johdosta yksittäiset nanojohtimet ja niistä yhteenkasautuneet verkostot käyttäytyvät puolijohdemaisesti mikä monimutkaistaa näiden materiaalien käyttöä sellaisenaan elektroniikan johtimissa. Luonnollisista oksideista huolimatta kuparinanojohtimet ovat lupaavia monissa muissa sovelluksissa, kuten tässä työssä tutkituissa plasmonisessa ja heterogeenisessä katalyysissä. Väitöstyössä osoitetaan, että nanojohtimen pintaplasmonisia absorptio-ominaisuuksia voidaan hyödyntää pintaan absorboituneiden molekyylien kemiallisessa havainnoinnissa (mallinnettu yhdiste rodamiini 6G) vahvistamalla Raman–spektriä käyttämättä lainkaan litografiapohjaista anturisapluunaa. Myöskin vesien fenolikontaminaatio voidaan tehokkaasti muuntaa myrkyttömiksi polyfenoleiksi ja hiiidioksidiksi hyödyntämällä nanojohtimien pinnalla olevia oksideja tehokkaana katalyyttinä (jopa parempi kuin kaupallisten kupariin pohjautuvat katalyytit). Tässä väitöstyössä julkaistut tulokset edistävät kuparinanojohtimien sekä muiden pienikokoisten ja nopeasti hapettuvien kuparinanorakenteiden kemiallisen ja fyysisen käytöksen ymmärtämistä. Tieteellisten kehitysaskeleiden lisäksi tämä väitöstyö voi myös toimia lähteenä pienirakenteisten yleisten metallien sovelluksille.