Abstract With the current technological advancements, stage is being set for new ultra-responsive and robust 5G-enabled applications (e.g., virtual reality, Tactile Internet,…) to deliver critical real-time traffic. The emergence of such critical applications requires new networking models that can handle more connected devices with super high reliability and low latency communications. In the view of these research challenges, this thesis aims to propose new techno-economic models and networking paradigms needed in the redesign of wireless network architectures and protocols to support the connectivity requirements by which operators and users effectively benefit from new opportunities introduced by 5G-enabled applications. In this thesis, new paradigms in wireless network access are presented and analyzed. First, dynamic network architecture (DNA) is introduced, where certain classes of wireless terminals can be turned temporarily into an access point (AP) anytime while connected to the Internet. In this concept, a framework is proposed to optimize different aspects of this architecture. Furthermore, to dynamically reconfigure an optimum topology and adjust it to the traffic variations, a new specific encoding of genetic algorithm (GA) is presented. Then, a distributed user-centric spectrum sharing is developed based on DNA networks to enable user-provided access points pervasively share the unused resources. Next, a flexible cloud-based radio access network (FRAN) is proposed to offload traffic to DNA networks in order to provide low latency communications. In the sequel of the thesis, as a new paradigm, a context-aware resource allocation scheme based on adaptive spatial beamforming and reinforcement learning is proposed. In addition, semi-cognitive radio network (SCRN) as a new spectrum sharing model is developed to improve the utility of primary and secondary owners. / Tiivistelmä Nykyaikaisilla teknologisilla edistysaskeleilla mahdollistetaan uusien 5G-pohjaisien erittäin lyhyen vasteajan ja suuren luotettavuuden sovelluksien ilmestyminen kriittisen reaaliaikaisen informaation välittämiseen (esim. taktiiliset ja virtuaalitodellisuus-sovellukset). Näiden kaltaiset sovellukset vaativat uudenlaisia verkottumismalleja, jotka kykenevät käsittelemään enemmän laitteita suurella toimintavarmuudella ja matalalla latenssilla. Tämä väitöskirja ehdottaa näiden haasteiden valossa uusia teknis-taloudellisia malleja ja verkottumisparadigmoja, joita tarvitaan verkkoarkkitehtuurien ja -protokollien uudelleensuunnittelussa tulevaisuuden sovelluksien tarpeet huomioiden, joiden kautta operaattorit ja käyttäjät voivat hyödyntää tulevien 5G-sovelluksien tuomat mahdollisuudet. Tässä väitöskirjassa esitetään ja analysoidaan uusia paradigmoja langattomaan verkkoliityntään. Ensimmäisenä esitellään dynaaminen verkkoarkkitehtuuri (dynamic network architecture, DNA), missä tietyt langattomat terminaalit voidaan väliaikaisesti muuttaa liityntäpisteiksi milloin vain internetyhteyden ollessa käytettävissä. Tämän konseptin puitteissa ehdotetaan viitekehys sen eri osa-alueiden optimoimiseksi. Tämän lisäksi esitetään uusi spesifinen geneettisen algoritmin (GA) koodaus optimaalisen topologian dynaamiseen konfigurointiin ja sen säätämiseen tietoliikenteen määrän mukaan. Tämän jälkeen esitellään kehitetty hajautettu käyttäjäkeskeinen spektrinjako, joka perustuu DNA-verkkoihin ja joka mahdollistaa käyttämättömien resurssien kokonaisvaltaisen jakamisen käyttäjien kautta. Seuraavaksi työssä ehdotetaan joustavaa pilvipalvelu-pohjaista liityntäverkkoa (flexible cloud-based radio access network, FRAN) käyttäjädatan purkamiseksi DNA-verkoille matalalatenssisen tietoliikenteen tarjoamiseksi. Edellä mainittujen menetelmien seurauksena ehdotetaan uutta paradigmaa: Kontekstiriippuvaista resurssien allokointia perustuen adaptiiviseen spatiaaliseen keilanmuodostukseen ja vahvistusoppimiseen. Näiden lisäksi kehitetään uusi spektrinjakomalli puolikognitiivisille radioverkoille (semi-cognitive radio network, SCRN) ensisijaisien ja toissijaisien käyttäjien utiliteetin parantamiseksi.

Abstract The aim of this thesis is to devise new paradigms on radio resource sharing including cache-enabled virtualized large cellular networks for mobile network operators (MNOs). Also, self-organizing resource allocation for small cell networks is considered. In such networks, the MNOs rent radio resources from the infrastructure provider (InP) to support their subscribers. In order to reduce the operational costs, while at the same time to significantly increase the usage of the existing network resources, it leads to a paradigm where the MNOs share their infrastructure, i.e., base stations (BSs), antennas, spectrum and edge cache among themselves. In this regard, we integrate the theoretical insights provided by stochastic geometrical approaches to model the spectrum and infrastructure sharing for large cellular networks. In the first part of the thesis, we study the non-orthogonal multi-MNO spectrum allocation problem for small cell networks with the goal of maximizing the overall network throughput, defined as the expected weighted sum rate of the MNOs. Each MNO is assumed to serve multiple small cell BSs (SBSs). We adopt the many-to-one stable matching game framework to tackle this problem. We also investigate the role of power allocation schemes for SBSs using Q-learning. In the second part, we model and analyze the infrastructure sharing system considering a single buyer MNO and multiple seller MNOs. The MNOs are assumed to operate over their own licensed spectrum bands while sharing BSs. We assume that multiple seller MNOs compete with each other to sell their infrastructure to a potential buyer MNO. The optimal strategy for the seller MNOs in terms of the fraction of infrastructure to be shared and the price of the infrastructure, is obtained by computing the equilibrium of a Cournot-Nash oligopoly game. Finally, we develop a game-theoretic framework to model and analyze a cache-enabled virtualized cellular networks where the network infrastructure, e.g., BSs and cache storage, owned by an InP, is rented and shared among multiple MNOs. We formulate a Stackelberg game model with the InP as the leader and the MNOs as the followers. The InP tries to maximize its profit by optimizing its infrastructure rental fee. The MNO aims to minimize the cost of infrastructure by minimizing the cache intensity under probabilistic delay constraint of the user (UE). Since the MNOs share their rented infrastructure, we apply a cooperative game concept, namely, the Shapley value, to divide the cost among the MNOs. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tavoitteena on tuottaa uusia paradigmoja radioresurssien jakoon, mukaan lukien virtualisoidut välimuisti-kykenevät suuret matkapuhelinverkot matkapuhelinoperaattoreille. Näiden kaltaisissa verkoissa operaattorit vuokraavat radioresursseja infrastruktuuritoimittajalta (InP, infrastructure provider) asiakkaiden tarpeisiin. Toimintakulujen karsiminen ja samanaikainen olemassa olevien verkkoresurssien hyötykäytön huomattava kasvattaminen johtaa paradigmaan, jossa operaattorit jakavat infrastruktuurinsa keskenään. Tämän vuoksi työssä tutkitaan teoreettisia stokastiseen geometriaan perustuvia malleja spektrin ja infrastruktuurin jakamiseksi suurissa soluverkoissa. Työn ensimmäisessä osassa tutkitaan ei-ortogonaalista monioperaattori-allokaatioongelmaa pienissä soluverkoissa tavoitteena maksimoida verkon yleistä läpisyöttöä, joka määritellään operaattoreiden painotettuna summaläpisyötön odotusarvona. Jokaisen operaattorin oletetaan palvelevan useampaa piensolutukiasemaa (SBS, small cell base station). Työssä käytetään monelta yhdelle -vakaata sovituspeli-viitekehystä SBS:lle käyttäen Q-oppimista. Työn toisessa osassa mallinnetaan ja analysoidaan infrastruktuurin jakamista yhden ostaja-operaattorin ja monen myyjä-operaattorin tapauksessa. Operaattorien oletetaan toimivan omilla lisensoiduilla taajuuksillaan jakaen tukiasemat keskenään. Myyjän optimaalinen strategia infrastruktuurin myytävän osan suuruuden ja hinnan suhteen saavutetaan laskemalla Cournot-Nash -olipologipelin tasapainotila. Lopuksi, työssä kehitetään peli-teoreettinen viitekehys virtualisoitujen välimuistikykenevien soluverkkojen mallintamiseen ja analysointiin, missä InP:n omistama verkkoinfrastruktuuri vuokrataan ja jaetaan monen operaattorin kesken. Työssä muodostetaan Stackelberg-pelimalli, jossa InP toimii johtajana ja operaattorit seuraajina. InP pyrkii maksimoimaan voittonsa optimoimalla infrastruktuurin vuokrahintaa. Operaattori pyrkii minimoimaan infrastruktuurin hinnan minimoimalla välimuistin tiheyttä satunnaisen käyttäjän viive-ehtojen mukaisesti. Koska operaattorit jakavat vuokratun infrastruktuurin, työssä käytetään yhteistyöpeli-ajatusta, nimellisesti, Shapleyn arvoa, jakamaan kustannuksia operaatoreiden kesken.