Abstract Recent advances in wireless communications coupled with the widespread of bandwidthhungry and high-power consuming wireless services as well as the rapid penetration of multimedia-enabled smart handheld devices generate a drastic growth in mobile traffic volume. With these trends, the goals of 5G and beyond wireless communications include energy efficiency, low latency, and low service cost from the user’ perspective as well as spectrum efficiency, revenue increasing, and lower capital and operational cost from the network operators’ point of view. This thesis studies the potential of mobile clouds for improving energy, spectral, and cost efficiency towards the primary goals of 5G networks. Mobile clouds define a promising 5G integrated technology which combines the conventional cellular and shortrange networks into a novel and powerful communication architecture. Mobile clouds can be seen as a flexible and efficient platform for cooperative content delivery, cooperation, resource sharing, and social networks. Research work in this thesis is conducted in two main areas, namely fundamental and applied research on mobile clouds. Fundamental research focuses on cloud formation strategies and cloud maintenance mechanisms. In the applied area, the potential of mobile clouds for content distribution is investigated in both licensed and unlicensed bands. For content distribution using unlicensed band, several cooperative strategies are designed and their efficiency is compared to traditional multicast strategy in terms of energy efficiency, content distribution latency, and users’ quality of experience (QoE). In content distribution over licensed band, spectrum sharing and resource allocation algorithms are considered for multi pair and full-duplex device-to-device (D2D) communications, aiming at improving spectral efficiency and network performance as well as quality of service (QoS) provisioning. In addition, a business model is designed to consider how mobile clouds can reduce the cost of users and operators while improving revenue of operators and increasing users’ satisfaction. The results of this thesis show that mobile clouds technology creates a flexible and efficient platform which can efficiently enhance spectral efficiency, significantly improve energy efficiency and network performance while guaranteeing cost efficiency for users and network operators simultaneously. / Tiivistelmä Langattomassa viestinnässä on viime aikoina saavutettu useita edistysaskeleita samalla kun suurta kaistanleveyttä edellyttävien ja paljon tehoa kuluttavien langattomien palveluiden käyttö on yleistynyt ja multimediatoiminnoilla varustetut älylaitteet ovat vallanneet nopeasti markkinoita. Tämän seurauksena mobiililiikenne on lisääntynyt huomattavasti. Näiden suuntausten valossa langattoman 5G-viestinnän ja sitä seuraavien sukupolvien langattoman viestinnän kehitystavoitteita ovat muun muassa seuraavat: käyttäjän näkökulmasta energiatehokkuus, mahdollisimman lyhyet viiveajat ja palvelun käytöstä aiheutuvien kustannusten edullisuus sekä verkko-operaattorin näkökulmasta spektritehokkuus, tulojen kasvattaminen ja aiempaa matalammat pääoma- ja käyttökustannukset. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan millaisia mahdollisuuksia mobiilipilvet tarjoavat energia-, spektri- ja kustannustehokkuuden parantamiseen ja siten 5G-verkkojen päätavoitteiden saavuttamiseen. Mobiilipilvi on lupaava osa 5G-teknologiaa, jossa perinteiset solukkoverkot ja lyhyen kantaman verkot yhdistyvät aivan uudenlaiseen ja tehokkaaseen tietoliikennearkkitehtuuriin. Mobiilipilvet voidaan nähdä joustavana ja tehokkaana alustana sisällön yhteisjakelulle, yhteistyölle, resurssien jakamiselle ja toiminnalle sosiaalisissa verkoissa. Tätä väitöskirjaa varten on tehty tutkimusta sekä mobiilipilviä koskevan perustutkimuksen että soveltavan tutkimuksen parissa. Perustutkimuksessa keskitytään tarkastelemaan pilvien muodostamisessa käytettäviä strategioita ja pilvien ylläpidossa käytettäviä mekanismeja. Soveltavan tutkimuksen alueella mobiilipilvien tarjoamia sisällön jakelun mahdollisuuksia tarkastellaan sekä luvanvaraisilla että vapaasti käytettävillä kaistoilla. Vapaasti käytettävillä kaistoilla toteutettavaa jakelua varten työssä kehitetään useita yhteistoimintastrategioita, joiden tehokkuutta verrataan perinteiseen monilähetysstrategiaan energiatehokkuuden, sisällön jakelun viiveiden ja käyttäjien kokemuksen laadun (Quality of Experience, QoE) osalta. Luvanvaraisilla kaistoilla toteutettavan sisällön jakelun osalta tarkastellaan moniparisessa ja samanaikaisessa molemminsuuntaisessa laitteiden välisessä viestinnässä (D2D-kommunikaatiossa) käytettäviä spektrin jakamisen ja resurssien allokoimisen algoritmeja, jotta spektritehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä palvelun laatua (Quality of Service, QoS) pystyttäisiin parantamaan. Tämän lisäksi työssä kehitellään liiketoimintamallia, jonka avulla voidaan pohtia, miten mobiilipilvillä voidaan vähentää käyttäjien ja operaattorien kustannuksia ja samalla kasvattaa operaattorien tuloja ja parantaa käyttäjien tyytyväisyyttä. Tämän työn tulokset osoittavat, että mobiilipilviteknologia on joustava ja tehokas alusta, jolla voidaan lisätä olennaisesti spektritehokkuutta, parantaa merkittävästi energiatehokkuutta ja verkon suorituskykyä sekä taata kustannustehokkuus sekä käyttäjien että verkko-operaattorien näkökulmasta.