Abstract Uplink resource allocation strategies in modern cellular networks are studied in this thesis. With the presence of multiple antenna transmission, multiple base station (BS) coordination and multicarrier techniques, the resource allocation problem is reformulated and jointly optimized over a large set of variables. The focus is on the sum power minimization with per user rate constraints. A centralized multicarrier coordinated cellular network with multiple antennas implemented at the BS side is considered, where BSs can be adaptively clustered to detect signals from one mobile station (MS). The power, subcarrier, beamforming vector and BS cluster (BSC) are the design variables to be jointly optimized to satisfy the rate constraint per user. The first considered scenario is a simple single carrier multicell system. The power control problem with per user rate constraint can be optimally solved by the proposed algorithm, where power vector, BSC and beamforming vectors are separately updated until the sum power converges. The scenario is extended to more complicated multicarrier systems. The resource allocation problem is non-deterministic polynomial-time hard (NP-hard). Suboptimal algorithms are proposed to tackle the problem. To get more insights to the performance gap between the proposed algorithms and the capacity achieving bound, the scenario is specified to a single cell system with nonlinear receiver so that the calculation of the lower bound is possible. Efficient geometric aided fast converging power minimization algorithms are proposed to calculate the power bound of the multiple access channel (MAC) with per user rate constraint. By comparing the capacity achieving lower bound with the proposed algorithm, the BSW that starts from full rate allocation looks promising to have a good tradeoff between the convergence speed and the sum power consumption. Besides the resource allocation algorithms in the cellular network, the physical modeling and corresponding design of the network itself are also considered. The radio propagation in the elevation domain is modeled and considered. The diversity gain from the elevation domain is achieved by extra degree of freedom of beamforming in elevation domain. The antenna array can be either a uniform linear array or a uniform planar array with elements placed horizontally. The proposed power control algorithms are simulated in the 3D network scenarios. The effects of antenna array design in different propagation scenarios are compared. / Tiivistelmä Työssä tutkitaan ylälinkin resurssien kohdentamisstrategioita matkapuhelinverkoissa. Olettaen koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien (BS) välillä, resurssien kohdentamisongelma muotoillaan uudelleen ja optimoidaan yli suuren joukon optimointimuuttujia. Erityisesti keskitytään yhteenlasketun tehon minimointiongelmaan käyttäjäkohtaisien siirtonopeusrajoitteiden kanssa. Työssä oletetaan keskitetty koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien välillä, joten tukiasemat voidaan adaptiivisesti ryhmitellä yhden matkaviestimen signaalin havannointia varten. Lähetysteho, kantoaaltoallokaatio, keilanmuodostus ja tukiasemaklusterointi ovat ongelman muuttujia, jotka optimoidaan yhdessä siten, että käyttäjäkohtaiset siirtonopeusrajoitteet täyttyvät. Ensimmäinen käsitelty tapaus on yksinkertainen yhden operaattorin monisolujärjestelmä. Tehonsäätöongelma käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa voidaan optimaalisesti ratkaista ehdotetulla algoritmilla, jossa lähetysteho, keilanmuodostusvektorit ja tukiasemaklusterointi päivitetään erikseen, kunnes yhteenlaskettu teho suppenee. Tarkastelu laajennetaan monimutkaisempaan monikantoaaltojärjestelmään. Kun käyttäjäkohtainen siirtonopeustavoite kiinnitetään, ongelma voidaan vastaavasti hajottaa osittaisiksi alikantoaaltokohtaisiksi osaongelmiksi, jossa kukin osaongelma voidaan optimaalisesti ratkaista. Jos alikantoaaltokohtaista siirtonopeustavoitetta ei ole kiinnitetty, tehonsäätöongelmasta tulee ei-polynomisesti monimutkainen. Optimaalisia algoritmeja ehdotetaan ongelman ratkaisemiseksi. Jotta voitaisiin saada tietoa todellisesta suorituskykyerosta ehdotettujen algoritmien ja kapasiteettioptimaalisen rajan välillä, vertailu tehdään yhden solun simulointimallissa epälineaarisen vastaanottimen kanssa siten, että kapasiteettioptimaalisen alarajan laskeminen on mahdollista. Tätä varten kehitetään tehokas geometria-avusteinen ja nopeasti konvergoituva algoritmi tehon minimointia varten käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa. Vertaamalla kapasiteettioptimaalista alarajaa ehdotettujen algoritmien suorituskykyyn huomataan, että ehdotettu BSW algoritmi on hyvä kompromissi konvergoitumisnopeuden ja tehonkulutuksen välillä. Matkapuhelinverkkojen resurssienkohdentamisalgoritmien lisäksi työssä huomioidaan myös verkon fyysinen mallintaminen ja vastaava suunnittelu. Työssä mallinnetaan radiokanavan ominaisuudet myös korkeustasossa, joka mahdollistaa diversiteetin hyödyntämisen korkeustason keilanmuodostuksessa. Antenniryhmä voi olla joko yhtenäinen lineaarinen ryhmä tai yhtenäinen tasoryhmä, jossa antennielementit on sijoitettu tasoon. Ehdotettuja tehonsäätöalgoritmeja simuloidaan kolmiulotteisessa verkkoskenaarioissa, jossa verrataan antenniryhmäsuunnittelun vaikutuksia eri radiokanavaskenaarioissa.

Abstract Peer-to-Peer (P2P) networks have been applied in many applications for sharing resources such as storage space, media files or network bandwidth. Their main benefits include decentralization, self-organization, and scalability. Moreover, P2P technologies are evolving towards hybrid systems, where P2P networks are used in those parts of a larger system to leverage the decentralization most efficiently. The examples include cloud computing, where P2P networks are used in sharing computing resources, and Machine-to-Machine communication, where P2P networks are used for resource discovery. In super-peer overlays, the nodes are either regular nodes or super nodes that are located higher in the node hierarchy. This type of overlay explores the heterogeneity of peers in the overlay network to enable applications to run more efficiently. Leveraging the advantage of a super-peer overlay for service provision is an important issue. This thesis contributes to the research and development of super-peer-based coordination service provision from three aspects. Firstly, a super-peer-based coordinated service provision framework is proposed to coordinate different service groups and service peers in resource sharing, aiming to enable service groups to adapt to dynamic service demands. The proposed framework is evaluated using the following performance metrics: service response time, scalability, robustness, and communication traffic, in comparison to related work. Secondly, an efficient algorithm for rapidly constructing a robust super-peer overlay is proposed. The algorithm introduces a super-peer candidate based method for super-peer selection and a two-hop search method for finding client peers. Performance evaluation takes into account the convergence time of building a super-peer overlay, communication overhead, scalability, robustness. A comparison to related work is also conducted. Thirdly, the architecture of distributed resource discovery based on P2P overlay for Machine-to-Machine service provision is proposed. The architecture supports heterogeneous devices using different communication protocols in resource registration and discovery for achieving interoperability. As a part of the thesis, a functional real-world prototype is implemented and verified with a simple demonstration. Preliminary evaluation on the prototype indicates that caching can improve the response time of resource lookup dramatically. / Tiivistelmä Vertaisverkkoja on hyödynnetty resurssien kuten tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin jakamisessa. Niiden etuja perinteisiin keskitettyihin järjestelmiin verrattuna ovat hajautettu arkkitehtuuri, itseorganisoituvuus ja skaalautuvuus. Vertaisverkkoja käytetään yhä useammin järjestelmän osien toteuttamisessa, joissa hajautettujen resurssien hyödyntämisellä saavutetaan suurimmat edut. Esimerkkeinä ovat pilvilaskenta, jossa vertaisverkkoa käytetään laskentaresurssien jakamiseen, sekä laitteidenvälinen kommunikaatio, jossa vertaisverkkoja käytetään resurssien löytämiseen. Hierarkkisissa vertaisverkoissa niihin kytkeytyneet laitteet jaotellaan laitteiden kapasiteetin mukaan tavallisiin noodeihin ja näiden yläpuolella hierarkiassa toimiviin ylinoodeihin. Ylinoodeihin perustuva vertaisverkon kuoriverkko hyödyntää yksittäisten verkon noodien eli laitteiden erilaisuutta, jotta verkko voisi toimia tehokkaammin. Tämän ominaisuuden hyödyntäminen on erityisen tärkeää palvelun tarjonnassa. Tässä työssä on tutkittu ylinoodeihin perustuvan vertaisverkon palvelun tarjontaa kolmesta näkökulmasta. Ensimmäiseksi, työssä ehdotetaan ylinoodien koordinoimaa palveluntarjonnan toimintamallia resurssien jakamisessa. Toimintamallissa palveluryhmät ja palvelunoodit adaptoituvat dynaamisesti palvelupyyntöjen tarpeisiin. Tämän ratkaisun suorituskykyä arvioidaan palvelun vasteajan, skaalautuvuuden, robustisuuden ja tietoliikennemäärän suhteen verrattuna aiempiin ratkaisuihin. Toiseksi, työssä esitellään tehokas algoritmi robustin ylinoodikuoriverkon nopeaan muodostamiseen. Algoritmi käyttää ylinoodiehdokasmenetelmää ja kahden hypyn hakumetodia asiakasnoodien etsimisessä. Suorituskyvyn arvioinnissa otetaan huomioon ylinoodikuoriverkon konvergoitumisaika, tietoliikenneviestinnän aiheuttama ylimääräinen kuormitus, sekä järjestelmän skaalautuvuus ja robustisuus. Esitetyn algoritmin tehokkuutta arvioidaan vertaamalla näitä suorituskykymittareita aiempiin ratkaisuihin. Kolmanneksi, työssä esitellään hajautettu resurssihakemiston arkkitehtuuri, joka perustuu laitteiden välisen kuoriverkon palveluntarjontaan. Arkkitehtuuri tukee erilaisten laitteiden ja niiden käyttämien protokollien resurssien rekisteröintiä ja löytämistä yhteensopivuuden saavuttamiseksi. Väitöskirjatyön osana on toteutettu toimiva prototyyppi, jonka toimivuus on todennettu demonstraation avulla. Prototyypillä tehdyt mittaukset antavat perustellun syyn olettaa, että esitetyn ratkaisun mukainen välimuistin käyttö voi merkittävästi lyhentää resurssien etsimisen vasteaikaa.