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 Cognitive radio (CR) is becoming a promising tool for solving the problem of the scarce radio resource and spectrum inefficiency. Spectrum sensing (signal detection) enables real-time detection of spectrum holes by unlicensed secondary users (SUs) in cognitive radio networks (CRNs). In this thesis, performance analysis of CRNs and radio resource allocation are considered. A continuous time Markov chain (CTMC) based analytical model taking into account all relevant elements as well as addressing the issue of the false alarm rate (FAR) associated with the continuous sensing is developed. In some cases, the PU can be modeled as time-slotted with constant state (transmitting or not) in each slot. In this case, assuming SU can synchronize to the slots, its intuitive to use beginning of a slot for sensing and rest (possibly) for communication. For this model, M/D/1 priority queueing scheme has been applied in this thesis to find waiting time and queue length for PU and SU. Multiple access among SUs in a time-slotted channel is considered next. A conventional method is e.g. using a channel access probability ψ in each slot similar to the slotted ALOHA. A radically new idea is introduced in this thesis: why not increase the false alarm probability PFA of each SU and use it as a multiple access method? A game theoretic approach to radio resource allocation for the downlink capacity providing fair resource sharing among mobile nodes located along a multihop link is presented. Furthermore, the problem of resource allocations in heterogeneous wireless networks is also studied. Finally, device-to-device (D2D) communication - with localized distribution, where users tend to gather around some areas (clusters/hot-spots) within the cell such as buildings is studied. Theoretical analysis with two dimensional clustering is presented including cases with correlated clusters. Correlation in cluster selection is shown to significantly improve performance. / Tiivistelmä Kognitiivinen radio (CR) on nousemassa lupaavaksi työkaluksi niukkojen radioresurssien ja spektrin käytön tehottomuuden ratkaisemisessa. Spektrin nuuskiminen (signaalin ilmaisu) mahdollistaa spektriaukkojen reaaliaikaisen tunnistamisen toissijaisten käyttäjien (SU) toimesta kognitiivisissa radioverkoissa (CRN). Tässä väitöskirjassa painotus on CRN verkkojen suorituskykyanalyysissa ja radioresurssien hallinnassa. Työssä kehitetään jatkuva-aikaiseen Markov ketjuun (CTMC) perustuva analyyttinen malli joka ottaa huomioon kaikki olennaiset asiat mukaan lukien jatkuva-aikaiseen spektrin nuuskimiseen liittyvän väärien hälytysten tiheyden (FAR). Joissakin tapauksissa PU:ta voidaan mallintaa aikajaoteltuna siten että PU:n tila on vakio kussakin aikavälissä. Olettaen että SU voi synkronoitua aikaväleihin, on intuitiivista käyttää aikavälin alkua nuuskimiselle ja loppuosaa (mahdollisesti) viestintää varten. M/D/1:n ensisijaisuus-jonotus-suunnitelmaa soveltamalla tässä väitöskirjassa saadaan tuloksia odotusajalle ja jonon pituudelle sekä SU:lle että PU:lle. Seuraavaksi käsitellään monikäyttöä SU:den joukossa aikajaotellussa kanavassa. Tavanomainen menetelmä käyttää esimerkiksi kanavapääsytodennäköisyyttä ψ kussakin aikavälissä vastaten aikajaoteltua ALOHA protokollaa. Tässä väitöskirjassa esitetään radikaali uusi idea: miksei lisätä väärän hälytyksen todennäköisyyttä kussakin SU:ssa ja käytetä sitä moniliittymämenetelmänä? Työssä esitetään peliteoreettinen lähestymistapa radioresurssien allokointiin siten että resurssit jaetaan oikeudenmukaisesti monen yhteysvälin linkeissä. Lisäksi tutkitaan myös resursoinnin ongelmaa heterogeenisissa langattomissa verkoissa. Lopuksi tutkitaan laitteiden välistä suoraa viestintää (D2D) paikallisen jakauman kanssa, jossa käyttäjillä on tapana kasaantua solun sisällä esim. rakennuksiin. Esitetään teoreettinen analyysi kaksiulotteisella klusteroinnilla myös korreloitujen ryhmien kanssa. Osoitetaan että korrelaatio ryhmän valinnassa parantavaa merkittävästi suorituskykyä.