Abstract Substantially growing data traffic over wireless networks poses increased challenges for mobile network operators in deploying sufficient network resources and managing user mobility. This dissertation considers these challenges to providing satisfactory Quality of Service (QoS) for end-users and studies solutions for better utilization of the heterogeneous network environment. First, the dissertation examines what solutions mobile devices and network management entities can use to dynamically collect valid cross-layer information from different network entities. Cross-layer information allows monitoring of the condition of the network in multiple layers on a user and application basis. The second research topic considers the techniques the network management entities can use to improve resource usage in wireless networks based on the collected cross-layer information. The IEEE 802.21 standard, specified to facilitate handovers between heterogeneous networks, is used as the basis for cross-layer information delivery. This dissertation also focuses on utilization of the standard beyond the inter-access technology handovers. In order to improve resource usage in wireless networks dynamically, event delivery enhancements are proposed for the standard so that it better applies to the requirements of different techniques. Such techniques are traffic priority adjustment, traffic adaptation, packet aggregation, and network protocol header compression. The results show that when a handover is not feasible, these techniques effectively allow sharing of the limited radio resources for the user data according to applications’ importance and type. Mobility management is studied in terms of network information service, one of the main services of IEEE 802.21. The thesis proposes enhancing the information service with a base station cell coverage area database. The database provides significant improvements for the selection of a handover target in a dense base station environment. With all the results taken together, the dissertation provides mobile network operators various means to improve the usage of wireless networks on the basis of applications’ varying QoS requirements. / Tiivistelmä Voimakkaasti kasvava langattomien tietoverkkojen dataliikenne aiheuttaa verkko-operaattoreille haasteita tarjota riittävät verkkoresurssit ja hallita käyttäjien liikkuvuutta. Väitöskirja huomioi nämä haasteet tarjota loppukäyttäjille tyydyttävä palvelunlaatu (QoS) ja tutkii ratkaisuja, joilla heterogeenistä verkkoympäristöä voidaan hyödyntää tehokkaammin. Aluksi väitöskirja tutkii, mitä ratkaisuja päätelaitteet ja verkkohallintatoimijat voivat käyttää keräämään protokollakerrosten välistä (cross-layer) tietoa eri verkkotoimijoilta. Protokollakerrosten välinen tieto mahdollistaa verkon tilan seuraamisen usealla eri kerroksella käyttäjä- ja sovelluskohtaisesti. Toinen tutkimusaihe tarkastelee protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä tekniikoita, joita verkonhallintatoimijat voivat käyttää tehostamaan resurssien käyttöä langattomissa verkoissa. IEEE 802.21-standardia, joka on määritetty helpottamaan verkonvaihtoja heterogeenisten verkkojen välillä, käytetään pohjana protokollakerrosten välisen tiedon jakelulle. Väitöskirjassa keskitytään standardin hyödyntämiseen myös muussa kuin verkkoteknologioiden välisen verkonvaihdon yhteydessä. Väitöskirja ehdottaa parannuksia standardin tapahtumatietovälitykseen, jotta se täyttäisi paremmin eri tekniikoiden asettamat vaatimukset dynaamisesti toteutettavista toimista langattomien verkkojen resurssikäytön tehostamiseksi. Nämä tekniikat ovat liikenteen prioriteetin muutokset, liikenteen adaptointi, pakettien yhdistäminen ja verkkoprotokollaotsikoiden pakkaus. Tulokset osoittavat, että kun tukiasema- tai verkonvaihto ei ole mahdollinen, nämä tekniikat mahdollistavat rajattujen verkkoresurssien jakamisen tehokkaasti sovellusten tärkeyden ja tyypin mukaan. Liikkuvuudenhallintaa tutkitaan verkkoinformaatiopalvelun, joka on myös yksi IEEE 802.21-standardin pääpalveluista, kautta. Väitöskirja ehdottaa, että informaatiopalvelua tehostetaan liittämällä siihen tietokanta tukiasemasolujen peittoalueista. Tietokanta tehostaa huomattavasti verkonvaihdon kohteen valintaa tiheissä tukiasemaympäristöissä. Kun väitöskirjan tulokset huomioidaan kokonaisuutena, väitöskirja tarjoaa verkko-operaattoreille useita tapoja tehostaa langattomien verkkojen käyttöä sovellusten vaihtelevien palvelunlaatuvaatimusten perusteella.

Abstract The use of multiple antennas is a fundamental requirement in future wireless networks as it helps to increase the reliability and spectral efficiency of mobile radio links. In this thesis, we study convex optimization based radio resource allocation methods for the downlink of multi-antenna systems. First, the problem of admission control in the downlink of a multicell multiple-input single-output (MISO) system has been considered. The objective is to maximize the number of admitted users subject to a signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraint at each admitted user and a transmit power constraint at each base station (BS). We have cast the admission control problem as an ℓ0 minimization problem; it is known to be combinatorial, NP-hard. Centralized and distributed algorithms to solve this problem have been proposed. To develop the centralized algorithm, we have used sequential convex programming (SCP). The distributed algorithm has been derived by using the consensus-based alternating direction method of multipliers in conjunction with SCP. We have shown numerically that the proposed admission control algorithms achieve a near-to-optimal performance. Next, we have extended the admission control problem to provide fairness, where long-term fairness among the users has been guaranteed. We have focused on proportional and max-min fairness, and proposed dynamic control algorithms via Lyapunov optimization. Results show that these proposed algorithms guarantee fairness. Then, the problem of admission control for the downlink of a MISO heterogeneous networks (hetnet) has been considered, and the proposed centralized and distributed algorithms have been adapted to find a solution. Numerically, we have illustrated that the centralized algorithm achieves a near-to-optimal performance, and the distributed algorithm’s performance is closer to the optimal value. Finally, an algorithm to obtain the set of all achievable power-rate tuples for a multiple-input multiple-output hetnet has been provided. The setup consists of a single macrocell and a set of femtocells. The interference power to the macro users from the femto BSs has been kept below a threshold. To find the set of all achievable power-rate tuples, a two-dimensional vector optimization problem is formulated, where we have considered maximizing the sum-rate while minimizing the sum-power, subject to maximum power and interference threshold constraints. This problem is known to be NP-hard. A solution method is provided by using the relationship between the weighted sum-rate maximization and weighted-sum-mean-squared-error minimization problems. The proposed algorithm was used to evaluate the impact of imposing interference threshold constraints and the co-channel deployments in a hetnet. / Tiivistelmä Monen antennin käyttö on perusvaatimus tulevissa langattomissa verkoissa, koska se auttaa lisäämään matkaviestinyhteyksien luotettavuutta ja spektritehokkuutta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan konveksiin optimointiin perustuvia radioresurssien allokointimenetelmiä moniantennijärjestelmien alalinkin suunnassa. Ensiksi on käsitelty pääsynvalvonnan ongelmaa alalinkin suuntaan monen solun moni-tulo yksi-lähtö (MISO) -verkoissa. Tavoitteena on maksimoida hyväksyttyjen käyttäjien määrä, kun hyväksytyille käyttäjille on asetettu signaali-häiriö-kohinasuhteen (SINR) rajoitus, ja tukiasemille lähetystehon rajoitus. Pääsynvalvonnan ongelma on muotoiltu ℓ0-minimointiongelmana, jonka tiedetään olevan kombinatorinen, NP-vaikea ongelma. Ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja. Keskitetty optimointialgoritmi perustuu sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Hajautettu algoritmi pohjautuu konsensusoptimointimenetelmään ja sekventiaaliseen konveksiin optimointiin. Ehdotettujen pääsynvalvonta-algoritmien on numeerisesti osoitettu saavuttavan lähes optimaalinen suorituskyky. Lisäksi pääsynvalvontaongelma on laajennettu takaamaan pitkän aikavälin oikeudenmukaisuus käyttäjien välillä. Työssä käytetään erilaisia määritelmiä oikeudenmukaisuuden takaamiseen, ja ehdotetaan dynaamisia algoritmeja pohjautuen Lyapunov-optimointiin. Tulokset osoittavat, että ehdotetuilla algoritmeilla taataan käyttäjien välinen oikeudenmukaisuus. Tämän jälkeen käsitellään heterogeenisen langattoman MISO-verkon pääsynvalvonnan ongelmaa. Edellä ehdotettuja keskitettyjä ja hajautettuja algoritmeja on muokattu tämän ongelman ratkaisemiseksi. Työssä osoitetaan numeerisesti, että sekä keskitetyllä että hajautetulla algoritmilla saavutetaan lähes optimaalinen suorituskyky. Lopuksi on laadittu algoritmi, jolla löydetään kaikki saavutettavissa olevat teho-datanopeusparit heterogeenisessä langattomassa moni-tulo moni-lähtö (MIMO) -verkossa. Verkko koostuu yhdestä makrosolusta ja useasta piensolusta. Piensolutukiasemista makrokäyttäjiin kohdistuvan häiriön teho on pidetty tietyn rajan alapuolella. Kaikkien saavutettavien teho-datanopeusparien löytämiseksi on laadittu kaksiulotteinen vektorioptimointiongelma, jossa maksimoidaan summadatanopeus pyrkien minimoimaan kokonaisteho, kun enimmäisteholle ja häiriökynnykselle on asetettu rajoitukset. Tämän ongelman tiedetään olevan NP-vaikea. Ongelman ratkaisemiseksi käytetään painotetun summadatanopeuden maksimointiongelman, ja painotetun keskineliövirheen minimointiongelman välistä suhdetta. Ehdotettua algoritmia käytettiin arvioimaan häiriörajoitusten ja saman kanavan käyttöönoton vaikutusta heterogeenisessä langattomassa verkossa.

Abstract This dissertation studies the impact of heterogeneous wireless networks on the design and implementation of mobile video streaming services. The aim is to enable Quality of Service (QoS) sensitive video streaming services to take full advantage of the access diversity of heterogeneous networks in order to optimize their operation in terms of quality and efficiency of network resource usage. This nevertheless requires support beyond the layered communication architecture of today’s Internet. The thesis proposes an architecture for end-to-end cross-layer signaling and control for video streaming systems. The architecture supports extensive context informa- tion transfer in heterogeneous networks; thus, enabling the efficient management of video stream adaptation and user terminal mobility in a diverse and dynamic network environment. This thesis also studies and proposes cross-layer enhancements for adaptive video streaming and mobility management functions enabled by the cross- layer architecture. These include cross-layer video adaptation, congestion-triggered handovers, and concurrent utilization of multiple access networks in the video stream transport. For the video adaptation and multipath transmission, the flexible adaptation and transmission capabilities of the novel scalable video coding technology are used. Regarding the mobility management, the proposed solutions essentially enhance the handover decision-making of the Mobile IP protocol to better support QoS-sensitive video streaming. Finally, the thesis takes a holistic view on the application adaptation and mobility management, and proposes a solution for coordinated control of these two operations in order to achieve end-to-end optimization. The resulting mobile video streaming system architecture and the cross-layer control algorithms are evaluated using network simulations and real prototypes. Based on the results, the proposed mechanisms can be seen to be viable solutions for improving video streaming performance in heterogeneous wireless networks. They require changes in the communication end-points and the access network but support gradual deployment. This allows service providers and operators to select only a subset of the proposed mechanisms for implementation. The results also support the need for cross-layer signaling and control in facilitating efficient management and utilization of heterogeneous wireless networks. / Tiivistelmä Väitöskirja tutkii langattomien ja heterogeenisen verkkoympäristöjen vaikutusta erityisesti mobiilikäyttöön suunnattuihin suoratoistovideopalveluihin (streaming). Työn tavoitteena on löytää keino optimoida verkkoyhteyden palvelunlaadulle (QoS) herkän suoratoistovideon toiminta sekä videopalvelun laadun että verkon tiedonsiirtokapasiteetin käytön osalta. Tämä tapahtuu mahdollistamalla heterogeenisten verkkojen tehokas käyttö suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Tavoitellut parannukset vaativat kuitenkin muutoksia nykyiseen kerroksittaiseen Internet-arkkitehtuuriin. Väitöskirjassa esitetään arkkitehtuuri protokollakerrosten välisen tiedon (cross-layer) välitykseen ja hyödyntämiseen suoratoistovideopalvelujen tiedonsiirron kontrolloinnissa. Arkkitehtuuria voidaan käyttää laaja-alaiseen kontekstitiedon välitykseen tietoverkoissa, mikä mahdollistaa tehokkaan videopalvelun adaptoinnin ja päätelaitteen liikkuvuudenhallinnan heterogeenisissa verkoissa, joissa palvelunlaatu vaihtelee. Väitöskirja myös ehdottaa erilaisia ratkaisuja videopalvelun adaptoinnin ja tiedonsiirron parantamiseksi arkkitehtuuria hyödyntämällä. Näihin lukeutuvat usealle protokollakerrokselle toteutettu videon adaptointi, verkkoyhteyden ruuhkautumiseen reagoiva yhteydensiirto sekä usean verkkoyhteyden samanaikainen käyttö videopalvelun tiedonsiirrossa. Videon adaptoinnissa ja siirrossa hyödynnetään uutta skaalautuvaa videonkoodausteknologiaa, joka mahdollistaa vaaditun, joustavan videobittivirran muokkauksen. Liikkuvuudenhallinnan osalta työssä keskitytään pääosin kehittämään Mobile IP -protokollan päätöksentekoa suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Lopuksi väitöskirjassa esitetään kokonaisvaltainen ja koordinoitu ratkaisu videopalvelun adaptoinnin sekä päätelaitteen liikkuvuuden hallintaan päästä päähän -optimoinnin saavuttamiseksi. Tuloksena esitetyt järjestelmäarkkitehtuuri ja protokollakerrosten välistä tietoa käyttävät hallinta-algoritmit evaluoitiin simulaatioiden ja oikeiden prototyyppien avulla. Tulokset osoittavat, että ehdotettuja menetelmiä voidaan käyttää parantamaan suoratoistovideopalvelujen suorituskykyä heterogeenisissa verkoissa. Ratkaisut vaativat muutoksia verkko- ja palveluarkkitehtuureihin, mutta niiden asteittainen tai osittainen käyttöönotto on mahdollista. Tulokset osoittavat myös protokollakerrosten välisen tiedon tarpeellisuuden langattomien ja heterogeenisten verkkojen tehokkaassa käytössä.

Abstract As mobile Internet access traffic continues to grow at an explosive rate and wireless networks continue to diverge into multiple access technologies with partly overlapping sets of features, new solutions for efficient use of these networks are vital. Cognitive network management provides tools to tackle this challenge by automatically learning from past experience the characteristics and usage patterns of the connected devices, thus enabling autonomic optimization of those connections. Cognitive network management requires a vast amount of information in order to function effectively, making collaboration of the networked devices essential as the best sources of information are scattered throughout the network. This makes efficient information dissemination one of the key enablers for autonomic networking. This dissertation studies managing control information related to autonomic selection of access networks and adapting services in a heterogeneous wireless network environment. It presents a solution to simple and efficient information dissemination in the form of Distributed Decision Engine— a CEP-like system enabling the building of a highly scalable and dynamic messaging system enabling dissemination, analysis and control of the complex series of interrelated events in the network. The dissertation also presents results showing a clear benefit in using cross-layer and cross-domain information in a modern wireless environment and validates the final prototype implementation of DDE with laboratory measurements. Effective use of disseminated cross-layer information is another key element in autonomic wireless networking. This dissertation also focuses on intelligent decision-making based on cross-layer information by presenting test results which attest that the performance of an autonomic wireless networking system can be improved by using cognitive techniques in its management algorithms, and that hierarchy and coordination can be utilized to minimize the effect of conflicting decisions of the system. / Tiivistelmä Mobiilin Internet-liikenteen räjähdysmäinen kasvu ja langattomien verkkojen jatkuva jakautuminen useisiin tekniikoihin vaativat uusia ratkaisuja näiden verkkojen tehokkaaseen käyttöön. Kognitiivinen verkon hallinta mahdollistaa oppimisen, minkä avulla laitteiden yhteyksiä voidaan optimoida autonomisesti aiemman kokemuksen perusteella. Tällainen optimointi vaatii kuitenkin valtavan määrän verkosta ja laitteista kerättyä tietoa, mikä tekee tehokkaasta tiedonjakelusta keskeisen elementin autonomisessa verkon hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan verkon valintaan ja palveluiden sopeuttamiseen vaadittavan tiedon välittämistä ja hallintaa autonomisissa langattomissa verkoissa. Ratkaisuna yksinkertaiseen ja tehokkaaseen tiedonvälitykseen esitellään hajautettu Distributed Decision Engine -komponentti, joka mahdollistaa skaalautuvan tiedon jakelu-, analysointi- ja hallintajärjestelmän rakentamisen. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan myös tuloksia, jotka osoittavat, että verkkokerrosten välisen tiedon käyttämisellä voidaan saavuttaa selvää etua, sekä tuloksia, jotka vahvistavat DDE-prototyyppitoteutuksen toimivuuden laboratoriomittauksin. Verkkokerrosten välisen tiedon tehokas hyödyntäminen on toinen keskeinen tekijä autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa. Väitöskirjassa käsitellään myös älykästä päätöksentekoa kyseisen informaation pohjalta sekä esitellään tuloksia, jotka osoittavat, että päätöksentekoa autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa voidaan parantaa kognitiivisilla tekniikoilla. Lisäksi esitetyt tulokset osoittavat, että hierarkialla sekä koordinoinnilla voidaan minimoida ristiriitaisten päätösten vaikutukset järjestelmään.