Abstract Energy efficiency is a powerful measure for promoting sustainability in technological evolution and ensuring feasible battery life of end-user devices in mobile computing. Peer-to-peer technology provides decentralized and self-organizing architecture for distributing content between devices in networks that scale up almost infinitely. However, peer-to-peer networking may require lots of resources from peer nodes, which in turn may lead to increased energy consumption on mobile devices. For this reason, peer-to-peer networking has so far been considered unfeasible for mobile environment. This thesis makes several contributions towards enabling energy-aware peer-to-peer networking in mobile environments. First, an empirical study is conducted to understand the energy consumption characteristics of radio interfaces and typical composition of traffic in structured peer-to-peer networks. This is done in order to identify the most essential obstacles for utilizing peer-to-peer technology in mobile environments. Second, the e-Aware model for estimating the energy consumption of a mobile device is developed and empirically verified to achieve 3-21% error in comparison to real-life measurements. Third, the e-Mon model for the energy-aware load monitoring of peer nodes is developed and demonstrated to improve the battery life of mobile peer nodes up to 470%. Fourth, the ADHT concept of mobile agent based virtual peers is proposed for sharing the peer responsibilities between peer nodes in a subnet so that they can participate in a peer-to-peer overlay without compromising their battery life. The results give valuable insight into implementing energy-efficient peer-to-peer systems in mobile environments. The e-Aware energy consumption model accelerates the development of energy-efficient networking solutions by reducing the need for time-consuming iterations between system development and evaluations with real-life networks and devices. The e-Mon load monitoring model facilitates the participation of battery-powered devices in peer-to-peer and other distributed networks by enabling energy-aware load balancing where energy-critical mobile nodes carry less load than other nodes. The ADHT facilitates the participation of constrained-capacity wireless devices, such as machine-to-machine nodes, in a peer-to-peer network by allowing them to sleep for most of their time. / Tiivistelmä Energiatehokkuus on kustannustehokas tapa vähentää päätelaitteiden käytön aiheuttamia kasvihuonepäästöjä sekä parantaa niiden akunkestoa. Vertaisverkkoteknologia tarjoaa hajautetun, itseorganisoituvan, sekä lähes rajattomasti skaalautuvan verkkoarkkitehtuurin päätelaitteiden väliseen tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin suorajakamiseen. Vertaisverkkojen suurin heikkous mobiilikäytön näkökulmasta on niiden päätelaitteille aiheuttama ylimääräinen kuormitus, mikä näkyy lisääntyneenä energiankulutuksena. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mekanismeja vertaisverkon päätelaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, tavoitteena riittävä akunkesto mobiilikäytössä. Aluksi työssä tutkittiin empiirisesti langattomien verkkojen mobiilipäätelaitteille aiheuttamaa energiankulutusta sekä rakenteellisten vertaisverkkojen vertaispäätelaitteille aiheuttamaa liikennekuormitusta. Tavoitteena oli muodostaa käsitys suurimmista haasteista mobiililaitteiden käytölle vertaisverkoissa. Seuraavaksi mobiiliverkkojen energiankulutusta koskevasta havaintoaineistosta muodostettiin energiankulutusmalli, e-Aware, jolla voitiin arvioida mobiilipäätelaitteen energiankulutusta erilaisilla verkon liikenneprofiileilla. Mallilla saavutettiin parhaimmillaan kolmen prosentin keskimääräinen virhe. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin energiatietoinen kuormanseurantamalli, e-Mon, jota käyttäen saavutettiin jopa 470 % lisäys mobiilin vertaispäätelaitteen akunkestoon. Viimeisessä vaiheessa kehitettiin ADHT-konsepti, joka on uudentyyppinen tapa jakaa vertaispäätelaitteiden kuormaa usean saman verkkoklusterin päätelaitteen kesken käyttäen laitteesta toiseen kiertävää mobiiliagenttia. Väitöskirjan tulokset osoittavat että mobiililaitteiden energiatehokkuutta vertaisverkoissa pystytään olennaisesti parantamaan energiatietoisia kuormanjakomekanismeja käyttäen. Työssä kehitetty e-Aware nopeuttaa energiatehokkaiden hajautettujen järjestelmien kehitystyötä tarjoamalla tehokkaan työkalun järjestelmän energiankulutuksen arvioimiseen jo kehitysvaiheessa. e-Mon mahdollistaa energiatietoisen kuormanjaon vertaisverkoissa tarjoamalla tarvittavan kuormanseurantamallin. ADHT puolestaan tarjoaa uudenlaisen tavan vähentää vertaisverkkojen aiheuttamaa päätelaitekuormitusta hyödyntäen maksimaalisesti rajoitetun kapasiteetin laitteiden unitilojen käyttöön perustuvaa energiankulutusoptimointia.

Abstract The rapid evolution of wireless networks to meet the requirements of explosive data traffic demand is escalating energy consumption beyond sustainable limits. Consequently, energy efficiency (EE) has emerged as a key performance indicator for future wireless networks to address the increasing concern over greenhouse gas emissions and sustainable economic growth. This thesis studies energy-efficient transmission strategies for multiantenna wireless systems. The aim is to develop linear beamforming techniques maximizing the bit-per-Joule EE metric, focusing on three appealing scenarios: a coordinated multicell system; a fronthaul-constrained cloud radio access network (C-RAN); and a multi-pair wireless-powered relaying system. The primary emphasis is on suboptimal but efficient optimization approaches which are attractive for practical implementation. The problem of achieving EE fairness in a multicell multiple-input single-output downlink system is studied first. Specifically, coordinated beamforming is designed to maximize the minimum EE among all base stations. Novel efficient iterative optimization methods solving the design problem in both centralized and decentralized fashions are proposed. In a downlink C-RAN with finite-capacity fronthaul links, the network-wide EE performance is explored via a joint design of beamforming and remote radio head-user association. A relatively realistic power consumption model including rate-dependent circuit power and nonlinear power amplifiers' (PA) efficiency is also considered. To gain an insight into the optimal performance of the design problem, an algorithm achieving globally optimal solutions is devised. Towards practical implementation, two efficient iterative suboptimal methods are proposed aiming at yielding near-optimal performance. Finally, a multi-pair amplify-forward relaying network is considered, in which energy-constrained relays adopting time-switching protocol harvest energy from the radio frequency signals transmitted by users. To maintain EE fairness among all user pairs, joint optimization of system parameters, such as users' transmit power, relay beamforming, and energy harvesting (EH) time, is studied. Impacts of rate-dependent circuit power, nonlinear PAs' efficiency and nonlinear EH circuits on the achievable performance are also addressed. / Tiivistelmä Langattomat verkot ovat kehittyneet nopeasti räjähdysmäisesti kasvavan dataliikenteen mahdollistamiseksi, minkä seurauksena energiankulutus on kasvanut kestävän kehityksen rajat ylittävällä tavalla. Siksi energiatehokkuudesta (EE, energy efficiency) on tullut uusien langattomien verkkojen keskeinen suunnittelukriteeri vastauksena kasvavaan huoleen kasvihuonepäästöistä ja kestävästä talouskasvusta. Väitöskirjassa tutkitaan moniantennisten langattomien järjestelmien energiatehokkaita tiedonsiirtostrategioita. Tavoitteena on kehittää lineaarisia keilanmuodostustekniikoita, jotka maksimoivat energiatehokkuuden mitattuna bitteinä joulea kohden, keskittymällä kolmeen kiinnostavaan vaihtoehtoon, joita ovat koordinoitu monisolujärjestelmän lähetys laskevalla siirtotiellä, pilvipohjainen radioliityntäverkko (C-RAN, cloud radio access network), jossa laskentayksikön ja varsinaisen radiolähettimen välinen yhteys (fronthaul) on rahoitettu, ja usean parin relejärjestelmiin, joissa releet toimivat paristoilla. Työn pääpaino on alioptimaalisissa, mutta käytännöllisesti tehokkaissa optimointimenetelmissä. Pääpaino on alioptimaalisissa mutta tehokkaissa optimointitavoissa, jotka ovat kiinnostavia käytännön toteutuksen näkökulmasta. Ensiksi tarkastellaan tasapuolisen energiatehokkuuden saavuttamista monisoluisessa laskevan siirtotien moni-tulo yksi-lähtö (MISO, multiple-input single-output) -järjestelmässä. Koordinoitu keilanmuodostus on suunniteltu erityisesti maksimoimaan energiatehokkuuden minimitaso kaikilla tukiasemilla. Tarkemmin sanottuna pyritään maksimoimaan huonoin energiatehokkuus solmujen välillä, kun käytetään yhteistoiminnallista keilanmuodostusta. Muodostetun ongelman ratkaisemiseksi ehdotetaan edistyksellisiä iteratiivisia menetelmiä käyttämällä sekä keskitettyjä että hajautettuja ratkaisuja. Laskevan siirtosuunnan fronthaul-rajoitetussa C-RAN-järjestelmässä selvitetään verkonlaajuista energiatehokkuutta keilanmuodostuksen ja palvelevan tukiaseman yhteisoptimoinnilla. Tässä käytetään verrattain realistista tehonkulutusmallia, joka sisältää datanopeudesta riippuvan prosessointitehon ja epälineaarisen tehovahvistimen (PA, power amplifier) hyötysuhteen. Jotta saadaan käsitys ongelman optimaalisesta suorituskyvystä, siihen kehitetään globaalisti optimaalinen menetelmä. Lisäksi ehdotetaan kaksi käytännöllisempää iteratiivista menetelmää, jotka saavuttavat lähes optimaalisen suorituskyvyn. Lopuksi keskitytään monen parin vahvista-ja-välitä eteenpäin (AF. amplify and forward) verkkoon, jossa aikajakokytkentää käyttävät energiarajoitetut toistimet keräävät energiaa käyttäjien lähettämistä radiosignaaleista. Jotta saavutetaan EE:n oikeudenmukaisuus kaikkien parien välillä, parametrit, kuten käyttäjien lähetysteho, toistimen keilanmuodostus, ja energiankeräysaika suunnitellaan yhdessä. Tässä tutkitaan nopeusriippuvaisen piirin tehon, epälineaarisen tehovahvistimen hyötysuhteen ja epälineaaristen energiankeräyspiirien tehon vaikutusta suorituskykyyn.