Abstract The aim of this thesis is to devise coordination and adaptation techniques that enable the wireless devices operating in a cognitive network to utilize their available resources efficiently. The first part of this thesis considers the case where multiple autonomous devices sense the frequency channels sequentially in some sensing order for spectrum opportunities. In particular, the first part is interested in the scenario where devices with false alarms autonomously select the sensing orders in which they visit channels, without coordination from a centralized entity. An adaptive persistent sensing order selection strategy that allows autonomous adaptations to collision-free sensing orders is proposed and evaluated. It is shown that the proposed strategy converges and maximizes cognitive network throughput compared to a random selection of sensing orders. The second part of this thesis considers the case where distributed devices interact with one another to cooperate to fulfill tasks or to improve the efficiency of network resource usage. Tools from coalition formation game theory are adopted to devise dynamic cooperative strategies for distributed devices. Dynamic coalition formation methods, are proposed for two different network scenarios: 1) Distributed devices operating in an interference channel; 2) Distributed devices performing spectrum sensing. It is observed that in distributed spectrum sensing if the devices pursue their goals selfishly then coalition formation may lead to a suboptimal equilibrium where devices, through their interactions, reach an undesirable coalition structure from a network point of view. The proposed selfish model of dynamic coalition formation is then extended to determine whether and how the coalitional behavior of devices will change if coalition formation is ''not entirely selfish''. It is observed that for the problem of distributed spectrum sensing, average throughput per device is increased when devices cooperate to maximize the overall gains of the group as compared to when they cooperate to increase their individual gains. Finally, in the last part of the thesis, to reduce spectrum sensing overhead and total energy consumption of a cognitive radio network, the problem of sensor selection is considered. Different techniques for selecting devices with the best detection performance are proposed, and it is shown that the proposed device selection methods are able to offer significant gains in terms of system performance as compared to a random selection of devices. / Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli kehittää koordinointi- ja adaptointimenetelmiä, jotka mahdollistavat langattomien laitteiden toiminnan kognitiivisessa verkossa ja tarjolla olevien resurssien tehokkaan käytön. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään tapausta, jossa useat itsenäiset laitteet havainnoivat taajuuskanavien spektriominaisuuksia sekventiaalisesti jossakin järjestyksessä. Ensimmäisessä osassa ollaan erityisesti kiinnostuneita skenaariosta, jossa virheellisen hälytyksen antava laite automaattisesti valitsee kanavien havainnointijärjestyksen, joka tapahtuu ilman keskusyksikön koordinointia. Tässä työssä ehdotetaan ja evaluoidaan adaptiivinen jatkuva havainnointijärjestyksen valintastrategia, joka sallii itsenäisen sopeutumisen törmäysvapaaseen havainnointijärjestykseen. Osoitetaan, että ehdotettu strategia suppenee ja maksimoi kognitiivisen verkon kapasiteetin verrattuna satunnaiseen havainnointijärjestysten valintaan. Työn toisessa osassa pohditaan tilannetta, jossa hajautetut laitteet vuorovaikuttavat keskenään yhteistyössä suorittaakseen tehtäviään tai parantaakseen verkon resurssien käytön tehokkuutta. Peliteoreettisia työkaluja koalitioiden muodostamiseen mukautetaan dynaamisten yhteistoiminnallisten strategioiden laatimiseen hajautetuille laitteille. Dynaamisia koalitioiden muodostamismenetelmiä ehdotetaan kahteen erilaiseen verkkoskenaarioon: 1) hajautetut laitteet toimivat häiriöllisessä kanavassa, 2) hajautetut laitteet suorittavat spektrin havainnointia. Havaitaan, että jos hajautetussa spektrin havainnoinnissa laitteet tavoittelevat päämääriään itsekkäästi, niin koalitioiden muodostaminen voi johtaa alioptimaaliseen tasapainotilaan, jossa laitteet keskinäisen vaikutuksensa kautta saavuttavat verkon näkökulmasta epätoivotun koalitiorakenteen. Ehdotettua itsekästä mallia dynaamiseen koalitioiden muodostamiseen laajennetaan ottamaan selville, miten laitteiden koalitiokäyttäytyminen muuttuu, jos koalitioiden muodostaminen ei ole täydellisen itsekästä. Havaitaan, että hajautetun spektrin havainnoinnin probleemassa, keskimääräinen laitekohtainen kapasiteetti kasvaa kun laitteet tekevät yhteistyötä maksimoidakseen ryhmän kokonaishyödyn verrattuna siihen, jos ne tekevät yhteistyötä lisätäkseen yksittäisiä etujaan. Työn viimeisessä osassa pohditaan sensorien valintaongelmaa. Siinä ehdotetaan erilaisia menetelmiä, jotka valitsevat parhaan suorituskyvyn omaavat laitteet ja näytetään, että ehdotetut laitteiden valintamenetelmät pystyvät tarjoamaan merkittäviä suorituskykyetuja verrattuna satunnaiseen laitteiden valintaan.

Abstract Sharing is emerging as one of the megatrends influencing future business opportunities, and wireless communications is no exception to this development. Future mobile broadband networks will operate on different types of spectrum bands including shared spectrum, which calls for changes in the operation and management of the networks. The creation and capture of value by the different players in the mobile broadband ecosystem is expected to change due to regulation, technology, and business landscape related drivers that concern not only spectrum sharing, but also sharing of other resources such as infrastructure, technologies, or data. This thesis examines the key business and technology enablers needed to exploit spectrum sharing in mobile broadband networks, and presents the business model characteristics and strategic choices that spectrum sharing concepts support. Action research and integral scenarios methodologies were applied for strategic and business analysis utilizing the capacity and expertise of the policy, business and technology research communities. The thesis introduces a new approach to analyze the scalability of the spectrum sharing concepts and their business model elements utilizing sharing economy antecedent factors. The results indicate that all analyzed sharing concepts meet basic requirements to scale. The Licensed Shared Access (LSA) leverages existing assets and capabilities of the mobile network operator domain, the Citizens Broadband Radio Service (CBRS) extends the business model dynamics from connectivity to content, context and commerce, and the hybrid usage of Ultra High Frequency (UHF) band by Digital Terrestrial TV (DTT) and downlink Long Term Evolution (LTE) (HUHF) enables new collaborative opportunities between converging communication, Internet and media domains. The thesis validates the feasibility of spectrum sharing between mobile broadband networks and other types of incumbent spectrum users utilizing Finnish cognitive radio field trial environment (CORE), and expands the notion of spectrum sharing beyond the mobile broadband domain to be applied to other wireless systems including the media and broadcasting. The presented results can be used in developing the future mobile broadband systems enhanced with innovative spectrum sharing enabled business models to cope with the growing demand for capacity and new services by humans and machines. / Tiivistelmä Jakamistalous on yksi suurista tulevaisuuden liiketoimintamahdollisuuksiin vaikuttavista trendeistä, eikä langaton tietoliikenne ole tässä poikkeus. Tulevaisuuden laajakaistaiset matkapuhelinverkot tulevat hyödyntämään erityyppisiä radiotaajuuksia, kuten jaettuja taajuuskaistoja, mikä vaatii muutoksia verkkojen toimintoihin ja hallintaan. Eri toimijoiden arvonluonti- ja ansaintamahdollisuuksien odotetaan muuttuvan näissä liikkuvan laajakaistan ekosysteemeissä regulaation, teknologian ja liiketoimintaympäristön kehittyessä, ei vain taajuuksien jakamisessa, vaan myös kun kyseessä on muiden resurssien kuten infrastruktuurin, teknologioiden tai tiedon jakaminen. Väitöskirja tutkii teknologia- ja liiketoimintaedellytyksiä taajuusjakomenetelmille matkapuhelinverkoissa, sekä esittelee ja analysoi menetelmien mahdollistamia liiketoimintamalleja ja strategisia valintoja. Strategia- ja liiketoiminta-analyyseissä käytettiin toimintatutkimus- ja skenaariomenetelmiä poikkitieteellisissä tutkimusprojekteissa yhteistyössä reguloinnin, liiketoiminnan ja tekniikan tutkimusyhteisöjen kanssa. Tutkimus esittelee uuden lähestymistavan taajuusjakotekniikoiden liiketoimintamallien skaalautuvuuden analysointiin jakamistalouden määritelmiä hyödyntäen. Tulokset osoittavat, että kaikki tutkitut tekniikat täyttävät perusedellytykset skaalautuvuudelle; Licensed Shared Access (LSA) hyödyntäen matkapuhelinoperaattorin olemassa olevia resursseja ja kyvykkyyksiä, Citizens Broadband Radio Service (CBRS) laajentaen liiketoimintamalleja tietoliikenteestä sisältöön, kontekstiin ja kaupankäyntialustoihin, sekä digitaalitelevision ja langattoman LTE-tekniikan hybridikäyttö UHF-taajuuskaistalla (HUHF) mahdollistaen uusia liiketoimintamahdollisuuksia lähentyvien tietoliikenne-, Internet- ja mediaekosysteemien välillä. Väitöskirja tulokset vahvistivat taajuuden jakamisen soveltuvuuden liikkuvan laajakaistaverkon ja saman taajuusalueen eri teollisuudenalan haltijan välillä suomalaisessa CORE kenttätestausympäristössä, ja laajensivat taajuusjakotekniikan sovellettavuutta myös muihin langattomiin järjestelmiin sisältö- ja mediajakelussa. Esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden langattomien laajakaistaverkkojen kehitystyössä vastaamaan ihmisten ja koneiden kasvaviin tietoliikennepalveluiden ja -kapasiteetin tarpeisiin hyödyntäen tehokkaita taajuusjakotekniikoita ja niiden mahdollistamia innovatiivisia liiketoimintamalleja.