Abstract The aim of this thesis is to devise novel co-primary spectrum sharing (CoPSS) methods for future fifth generation (5G) networks and beyond. The target is to improve data rates of small cell networks (SCNs) in which mobile network operators (MNOs) share their dedicated frequency spectrum (spectrum pooling) or a common spectrum (mutual renting). The performance of the proposed methods is assessed through extensive system-level simulations. MNOs typically acquire exclusive usage rights for certain frequency bands and have little incentive to share spectrums with other operators. However, due to higher cost and spectrum scarcity at lower frequencies it is expected that efficient use of the spectrum in 5G networks will rely more on spectrum sharing than exclusive licenses. This is especially true for new higher candidate frequencies (> 6 GHz) that do not have a pre-existing spectrum regulation framework. In the first part of the thesis, we tackle the challenge of providing higher data rates within limited spectral resources. Each SCN MNO has its own dedicated spectrum, and each MNO defines a percentage of how much its spectrum it is willing to share. The idea of the proposed CoPSS algorithms is that the spectrum is dynamically shared among MNOs based on their spectrum utilization, which is shared among MNOs in the network. This way interference can be avoided and spectrum utilization is maximized. Unused resources are shared equally between overloaded MNOs for a given time instant. Thus, only short-term fairness among overloaded SCNs can be guaranteed. In the second part, we consider a multi-operator small cell network where MNOs share a common pool of radio resources. The goal is to ensure the long term fairness of spectrum sharing without coordination among small cell base stations. We develop a decentralized control mechanism for base stations using the Gibbs sampling based learning tool, which allocates suitable amount of the spectrum for each base station while avoiding interference from SCNs and maximizing the total network throughput. In the studied scenarios, we show the importance of coordination among MNOs when the dedicated spectrum is shared. However, when MNOs share a common spectrum, a decentralized control mechanism can be used to allocate suitable amounts of spectrum for each base station. The proposed algorithms are shown to be effective for different network layouts, by achieving significant data rate enhancements with a low overhead. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy kehittämään uusia menetelmiä, joilla jaetaan taajuuksia useiden operaattoreiden kesken tulevista viidennen sukupolven verkoista alkaen. Päätavoite on parantaa tiedonsiirtonopeuksia sellaisissa piensoluverkoissa, joissa matkapuhelinoperaattorit jakavat joko heidän omia taajuusalueitaan tai heillä yhteisomistuksessa olevia taajuuksia. Kehitettyjen menetelmien suorituskykyä arvioidaan mittavien järjestelmätason simulointien avulla. Matkapuhelinoperaattorit tyypillisesti omistavat yksin tietyt taajuusalueet, eivätkä ole valmiita jakamaan niitä. On kuitenkin oletettu, että tulevaisuudessa matkapuhelinoperaattorit joutuvat jakamaan taajuuksia, koska taajuusalueet ovat kalliita ja niukkoja erityisesti matalilla taajuusalueilla. Korkeammat taajuusalueet (> 6 GHz) puolestaan muodostavat otollisen alustan tehokkaalle spektrin jaetulle käytölle, koska niillä ei ole vielä olemassa olevaa taajuussääntelyä. Väitöskirjan ensimmäisessä osassa keskitytään kasvattamaan tiedonsiirtonopeuksia kun jokainen matkapuhelinoperaattori omistaa oman taajuuskaistansa ja matkapuhelinoperaattorit määrittävät kuinka suuren prosentuaalisen osuuden ovat valmiita jakamaan. Esitettyjen algoritmien päätavoite on jakaa taajuuksia dynaamisesti matkapuhelinoperaattoreiden kesken. Algoritmeissa hyödynnetään tietoa matkapuhelinoperaattoreiden taajuuden käyttöasteesta, jonka matkapuhelinoperaattoritkommunikoivat toisilleen. Näin häiriö voidaan välttää ja taajuuden käyttö maksimoidaan. Käyttämättömät taajuudet jaetaan tasaisesti matkapuhelinoperaattorien kesken tietyllä ajanhetkellä. Näin voidaan taata lyhytaikainen oikeudenmukainen taajuuksien käyttö, mutta ei pitkäaikaista oikeudenmukaista taajuuksien käyttöä. Väitöskirjan toisessa osassa matkapuhelinoperaattorit jakavat yhteisomistuksessa olevia taajuuksia. Tavoitteena on saavuttaa pitkäaikainen taajuuksien oikeudenmukainen käyttö, kun piensoluverkot eivät kommunikoi keskenään. Työssä kehitetään piensoluverkoille hajautettu algoritmi, joka perustuu oppimistyökaluun Gibbs-näytteistys. Näin saadaan allokoitua jokaiselle tukiasemalle tarvittava määrä taajuusresursseja niin, että häiriö tukiasemien välillä minimoidaan ja koko piensoluverkon suorituskyky maksimoidaan. Tutkituissa skenaarioissa osoitetaan matkapuhelinoperaattoreiden välisen koordinaation tärkeys, kun jaetaan omia taajuusalueita. Toisaalta kun operaattorit jakavat yhteisomistuksessa olevia taajuuksia on mahdollista käyttää algoritmeja, joissa ei ole koordinaatiota matkapuhelinoperaattoreiden kesken. Väitöskirjassa vahvistetaan kehitettyjen algoritmien olevan tehokkaita ja sopivan monenlaisiin verkkoympäristöihin saavuttaen merkittäviä parannuksia tiedonsiirtonopeuteen ilman suuria kustannuksia.

Abstract Although avalanche switching has been known since the 1950s, a trustworthy one-dimensional physical interpretation of the practically interesting high-current mode ("secondary breakdown") in a Si avalanche transistor has appeared only within the last decade and thanks to numerical one-dimensional and two-dimensional physics-based device modelling. A good fit with experimental waveforms has been achieved only for high-current, long-duration pulses (~100 A/7 ns), however, and modelling fails in the case of shorter pulses in a range that is of greater practical importance. One significant finding in this thesis is that reliable modelling of a Si avalanche transistor is in general impossible without taking account of three-dimensional effects. The task is a challenging one, as it is being put forward for the first time and state-of-the-art simulators are unable to model three-dimensional avalanche dynamics with an external circuit included (i.e. in “MixedMode”). Thus a smart approach was adopted which allowed the main features of the three-dimensional transient to be explained using a two-dimensional simulator and compared with the experimental data. The focus was on a trade-off of between high switching efficiency in an avalanche transistor (high-speed switching with a lower residual voltage as occurs at extremely high current densities) and device reliability as determined by local overheating during a single pulse, similarly resulting from high current density. This denotes the practical importance of the work performed here, as the current density is directly affected by three-dimensional dynamic processes. The second task performed in this thesis concerns the reliability of the GaAs avalanche transistors developed recently in the Electronics Laboratory and demonstrated of unique (superfast) switching and high-power-density sub-THz emission for mm-wave imaging and radars. Critically important for this new device is the limitation originating from premature breakdown at the surface of the GaAs p-n junction with a high density of surface states. Two of the results of this work are also fairly challenging: (i) the mechanism of "soft" surface breakdown intrinsic to all GaAs transistor mesas was interpreted in terms of the surface trapping of avalanche-generated electrons as suggested here, and (ii) passivation of the surface with a chalcogenide glass was suggested, as this allows the premature surface breakdown to be suppressed completely, an effect that has proved to be caused by a large negative surface charge formed on the “U centres” intrinsic to a chalcogenide glass. / Tiivistelmä Vaikka avalanche läpilyönti pii-transistoreissa on tunnettu jo 1950-luvulta lähtien, luotettava 1-dimensionaalinen fysikaalinen tulkinta ilmiöstä käytännön sovellusten kannalta kiinnostavilla suurilla virtatasoilla (ns. “secondary breakdown”) on esitetty vasta viime vuosikymmenen aikana 1- ja 2-dimensionaalisiin numeerisiin simulointeihin ja fysikaaliseen mallinnukseen perustuen. Kokeellisten mittausten ja simulointien välille on saatu hyvä sovitus kuitenkin vain sellaisessa ohjaustilanteessa, jossa transistori toimii suurella virtatasolla ja tuottaa leveitä virtapulsseja (~100  A / 7 ns); mallinnus ei vastaa mittaustuloksia lyhyillä virtapulsseilla, jotka kuitenkin ovat tärkeitä käytännön sovellusten kannalta. Yksi tämän työn keskeisiä havaintoja on se, että piipohjaisen avalanche transistorin luotettava mallintaminen ei ole käytännössä yleisesti mahdollista ottamatta huomioon 3-dimensionaalisia (3D) efektejä. Tällainen mallinnus, jota tässä työssä on kehitetty ensimmäistä kertaa, on vaikeaa, koska kaupalliset simulointiohjelmistot eivät kykene käsittelemään avalanche ilmiön dynamiikka 3-dimensionaalisesti tilanteessa, jossa transistoriin on kytketty ulkoinen piiri (ns. mixed-mode -simulointitilanne). Tähän kehitettiin tekniikka, joka mahdollistaa 3-dimensionaalisen kytkentätransientin tärkeimpien piirteiden selittämisen ja mittaustuloksiin vertaamisen 2-dimensionaalisten simulointien perusteella. Erityisesti pyrittiin selvittämään avalanche transistorin korkean kytkentähyötysuhteen (kollektori-emitterin ns. residual-jännitteen käyttäytyminen virrantiheystason mukaan) ja komponentin luotettavuuden välistä riippuvuutta. Luotettavuuteen vaikuttaa olennaisesti komponentin sisäinen, lokalisoitunut lämpötilamaksimi, joka myös riippuu keskeisesti komponentin virrantiheystasosta kytkentäpulssin aikana. Toisaalta virrantiheyteen vaikuttavat juuri komponentin 3-dimensionaaliset dynaamiset prosessit, joten työn käytännöllinen merkitys on suuri. Työn toisen osa käsittelee elektroniikan laboratoriossa äskettäin kehitetyn GaAs-avalanche transistorin luotettavuutta. Tällaisella transistorilla on demonstroitu olevan erityislaatuinen supernopea kytkeytymisefekti, ja se emittoi korkealla tehotasolla sähkömagneettista säteilyä n. 0,1–1 THz taajuusalueella. GaAs-avalanche transistoria voidaan täten potentiaalisesti hyödyntää mm-alueen kuvantamisessa ja tutkissa. Tämän uuden transistorin luotettavuuteen vaikuttaa ratkaisevasti rajoitus, joka aiheutuu ennenaikaisen, GaAs-pn-liitoksen pinnassa vaikuttavasta suuresta pintatilatiheydestä johtuvan läpilyönnin mahdollisuudesta. Työn kaksi keskeistä tulosta ovat: (i) kaikilla GaAs-transistoreilla ilmenevä ns. ”pehmeä”-läpilyönti aiheutuu avalanche ilmiön synnyttämien elektronien loukkuuntumisesta pinta-tiloihin, ja (ii) pinnan passivointi kalkopyriittilasilla estää läpilyönnin kokonaan, koska kalkopyriittilasille luonteenomaiset ”U-tilat” aiheuttavat liitoksen pintaan korkean negatiivisen pintavarauksen.

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.